中鐵二院重慶勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，重慶 400023

為適應(yīng)大跨徑拱橋?qū)Σ牧闲阅芎褪┕し椒ǖ囊?，鋼管混凝土勁性骨架混凝土拱橋?yīng)運(yùn)而生。此類拱橋跨度較大，其勁性骨架外包混凝土若直接采用連續(xù)澆筑，施工過程中主拱圈將產(chǎn)生較大變形與應(yīng)力，施工控制困難，安全風(fēng)險(xiǎn)大[1]。在勁性骨架已經(jīng)成拱的前提下，其外包混凝土通常采用豎向分環(huán)、多工作面、縱向分段的澆筑方法[2-3]。主拱在施工、運(yùn)營(yíng)過程中受力特性與外包混凝土澆筑方案密切相關(guān)[4-6]。文章通過研究主跨275m的高速鐵路上承式鋼筋混凝土拱橋主拱施工過程，分析其外包混凝土澆筑方案的有效性，揭示主拱在施工過程中的承載能力和特性。

1 工程概況

該橋跨越烏江，橋址處地勢(shì)陡峭，為“V”字形峽谷，兩岸地質(zhì)較好，適合修建上承式拱橋結(jié)構(gòu)。針對(duì)鐵路活載大，要求結(jié)構(gòu)剛度大等特點(diǎn)，主橋采用主跨275m上承式鋼筋混凝土拱橋。主拱圈矢高為68.75m，矢跨比為1∶4，拱軸線采用懸鏈線，按拱軸系數(shù)m=2設(shè)計(jì)。橋梁立面布置圖如圖1所示。

圖1 橋梁立面布置圖

主拱截面為單箱雙室矩形截面，由拱腳至拱頂逐漸變寬、等高形式，截面示意如圖2所示。主拱截面高6.5m；拱頂箱室寬10m，拱腳處寬12m。主拱圈采用C55鋼筋混凝土。

圖2 主拱圈截面示意圖

拱上立柱采用單柱式空心（或?qū)嶓w）墩，頂寬8m，縱向?qū)?.5m。拱肋勁性骨架上下弦桿采用外徑為750mm的直焊縫卷制鋼管，壁厚根據(jù)受力不同選取，單個(gè)截面共6根弦桿；勁性骨架采用N型桁架。纜索吊裝合龍鋼管骨架后，鋼管內(nèi)灌注C60補(bǔ)償收縮混凝土作為拱肋混凝土施工支架，施工完畢拱肋外包混凝土后與其一起形成勁性骨架鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

2 施工過程受力分析

2.1 主拱圈外包混凝土澆筑順序

目前普遍認(rèn)為，多點(diǎn)均衡施工外包混凝土能夠使主拱勁性骨架應(yīng)力分布均勻、線形變化平緩均勻。一般情況下勁性骨架沿著拱軸線縱向澆筑時(shí)段劃分越細(xì)，越有利于結(jié)構(gòu)受力，但與此同時(shí)，會(huì)帶來(lái)工期增加的問題。綜合主拱圈受力與工期等因素，該橋主拱圈擬采用“3個(gè)環(huán)、4個(gè)工作面”的澆筑方案，如圖3、圖4所示。

圖3 主拱圈澆筑工作面劃分示意圖

圖4 主拱圈分環(huán)澆筑示意圖

主拱圈主要施工順序：斜拉扣掛法施工勁性骨架節(jié)段至最大懸臂→勁性骨架合攏→灌注骨架弦管內(nèi)混凝土→澆筑底板第1、4節(jié)段→澆筑底板第2、5節(jié)段→澆筑底板第3、6節(jié)段→澆筑腹板第1、4節(jié)段→澆筑腹板第2、5節(jié)段→澆筑腹板第3、6節(jié)段→澆筑頂板第1、4節(jié)段→澆筑頂板第2、5節(jié)段→澆筑頂板第3、6節(jié)段→施工立柱→施工主梁→施工橋面附屬→完成全橋施工。

2.2 有限元模型

針對(duì)主拱圈采用先勁性骨架后外包混凝土這一特點(diǎn)，有限元建模簡(jiǎn)化時(shí)考慮勁性骨架采用梁?jiǎn)卧?，外包混凝土采用板單元，扣錨索采用桿單元模擬并賦予張拉力。全橋合計(jì)節(jié)點(diǎn)1831個(gè)，單元4690個(gè)，其中桿單元136個(gè)、梁?jiǎn)卧?512個(gè)、板單元1022個(gè)。勁性骨架弦桿鋼管混凝土采用共節(jié)點(diǎn)的雙單元方式進(jìn)行模擬。含施工臨時(shí)扣塔及扣錨索的全橋模型如圖5所示。

圖5 全橋有限元模型（含施工扣塔及臨時(shí)扣錨索）

2.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)前述有限元模型，可得出勁性骨架、外包混凝土各施工階段的受力情況，文章僅列出部分典型結(jié)果。

弦桿鋼管最大應(yīng)力隨澆筑次序的變化關(guān)系如圖6所示。從圖6可看出隨著施工的進(jìn)行，弦桿中最大應(yīng)力逐漸增大，上、下弦桿應(yīng)力最大值接近。外包混凝土澆筑前（次序1～12）上、下弦桿鋼管最大應(yīng)力控制在200MPa左右，小于規(guī)范允許值276MPa。

圖6 弦桿鋼管最大應(yīng)力隨澆筑次序的變化關(guān)系

弦桿鋼管中混凝土最大應(yīng)力隨澆筑次序的變化關(guān)系如圖7所示。隨著施工的進(jìn)行，管內(nèi)混凝土壓應(yīng)力呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢(shì)。

圖7 弦桿鋼管內(nèi)混凝土最大應(yīng)力隨澆筑次序的變化關(guān)系

外包混凝土拱橋關(guān)鍵截面頂緣、底緣的應(yīng)力隨澆筑次序的變化關(guān)系如圖8、圖9所示，從圖8、圖9可以看出，在澆筑過程中混凝土應(yīng)力均處于壓應(yīng)力狀態(tài)，上緣最大壓應(yīng)力為4.7MPa，下緣最大壓應(yīng)力為8MPa，均滿足《鐵路橋涵鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10092—2017）[7]C55混凝土應(yīng)力在施工過程中小于14.8MPa的要求。

圖8 外包混凝土拱圈頂緣應(yīng)力隨澆筑次序的變化關(guān)系

圖9 外包混凝土拱圈底緣應(yīng)力隨澆筑次序的變化關(guān)系

主拱圈從勁性骨架架設(shè)開始，通過澆筑混凝土逐步形成，各部分構(gòu)件先后承載，經(jīng)歷了施工期間從不完整結(jié)構(gòu)逐步向完整結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的時(shí)變過程，其穩(wěn)定性問題是決定建橋工程成敗的關(guān)鍵，因此有必要針對(duì)主拱圈進(jìn)行澆筑全過程的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析，從而保證方案的合理性。

結(jié)構(gòu)彈性穩(wěn)定性計(jì)算考慮荷載為結(jié)構(gòu)自重、扣索索力和橫向風(fēng)荷載，不考慮施工過程中設(shè)置風(fēng)纜的作用。施工過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)隨澆筑次序的變化關(guān)系如圖10所示，最大穩(wěn)定安全系數(shù)為37.54，最小穩(wěn)定安全系數(shù)為11.29，滿足規(guī)范所要求的穩(wěn)定系數(shù)大于4的要求，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性有較大富余。

圖10 施工過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)隨澆筑次序的變化關(guān)系

勁性骨架在斜拉扣掛施工至最大懸臂狀態(tài)時(shí)的一階失穩(wěn)模態(tài)如圖11所示，該施工階段失穩(wěn)形態(tài)為面外正對(duì)稱失穩(wěn)，一階穩(wěn)定安全系數(shù)為33.51。

圖11 拱圈最大懸臂時(shí)一階屈曲模態(tài)（僅示半跨）

完成澆筑腹板時(shí)（對(duì)應(yīng)施工次序9）的一階失穩(wěn)模態(tài)如圖12所示，該施工階段失穩(wěn)形態(tài)為面外正對(duì)稱失穩(wěn)，一階失穩(wěn)穩(wěn)定安全系數(shù)為11.29，穩(wěn)定安全系數(shù)為整個(gè)施工過程中的最小值。但仍滿足規(guī)范所要求的穩(wěn)定系數(shù)大于4的要求。

圖12 完成澆筑腹板時(shí)一階屈曲模態(tài)

3 結(jié)論

文章對(duì)高鐵勁性骨架混凝土拱橋主拱施工過程的受力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定進(jìn)行了計(jì)算分析，得到了各工況下勁性骨架的結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)和穩(wěn)定系數(shù)。通過建立鋼管混凝土勁性骨架拱肋三維數(shù)值模型，得到鋼管拱架最大懸拼階段一階失穩(wěn)穩(wěn)定系數(shù)為33.51，施工過程中穩(wěn)定安全系數(shù)最小值為11.29，滿足規(guī)范最小穩(wěn)定安全系數(shù)大于4的要求，主拱結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性具有一定的安全儲(chǔ)備。