钢管混凝土拱桥拱圈上施工顺序影响分析

唐　鹏　宫　赛

(南阳理工学院，河南南阳　473004)

钢管混凝土拱桥拱圈上施工顺序影响分析

唐鹏宫赛

(南阳理工学院，河南南阳473004)

摘要:以某哑铃型钢管混凝土拱桥为例，采用MIDAS/Civil有限元模型从最大应力、最大位移、最小稳定系数三方面，对钢管拱圈后续施工三种不同的施工顺序进行了比较分析，为缩短拱桥施工工期提供了理论依据。

关键词:钢管混凝土，拱桥，应力，位移，稳定系数

1　工程背景

该拱桥位于西安临潼某地，主体结构为上承式钢管混凝土桥(见图1)，拱桥拱圈跨径为132 m，矢跨比为1/6，拱轴系数为1.32，计算矢高为22 m，该拱桥为上承式钢管混凝土拱桥，横桥放有8肢钢管拱圈，中间由空钢管横撑连接拱肋组成，拱肋之间间距为4.5 m(见图2)。

图1　拱桥总体布置图

图2　钢管混凝土拱桥拱圈横截面

2　施工方法假定

由于哑铃型钢管缀板浇筑混凝土后对哑铃型钢管整体影响不大，不仅能满足施工及运营安全要求，达到减少结构自重、加快施工进度的目的［1］，此外还能降低工程预算。因此三种施工方法均采用混凝土只浇筑在上钢管、下钢管中，缀板内不浇筑混凝土的方式。由于钢管混凝土拱桥在钢管主拱圈形成后，其主拱圈的受力变化主要是依据拱圈上建筑物的施工顺序而改变。所以主拱圈上的后续施工顺序对桥梁整体的施工以及成桥后的安全、受力产生重要作用［2］。

以空钢管拱圈合龙后的施工状态为起点，对钢管拱圈上的后续施工顺序假定三种不同的方法，从钢管拱圈应力的变化、竖向位移变形，以及稳定系数等方面出发考虑每种施工方法的可行性。在分析时钢管拱圈每阶段的应力、位移取值均为此阶段的最大值，而稳定系数取值为此阶段的最小值［3］。

施工方法一按照以下步骤进行:主拱圈合龙、对拱圈上的立柱开始安装、对钢箱梁开始架设、对上钢管开始浇筑混凝土、上钢管混凝土达到强度、对下钢管开始浇筑混凝土、下钢管混凝土达到强度、开始施加二期恒载;

施工方法二的步骤为:主拱圈合龙、从拱脚向跨中方向同时开始安装拱圈立柱，且只能安装到拱圈L/4截面处、对上钢管开始浇筑混凝土、上钢管混凝土达到强度、对下钢管开始浇筑混凝土、下钢管混凝土达到强度、对拱圈上的剩余立柱开始安装、对钢箱梁开始架设、开始施加二期恒载;

施工方法三的步骤为:主拱圈合龙、对上钢管开始浇筑混凝土、上钢管混凝土达到强度、对下钢管开始浇筑混凝土、下钢管混凝土达到强度、对拱圈上立柱开始安装、对钢箱梁开始架设、开始施加二期恒载。

2.1施工方法一

在方法一施工顺序下，拱圈的最大应力出现在拱脚处或拱脚变截面处，最大值为－102 MPa，在容许范围内;拱圈的最大竖向位移出现在拱顶和拱圈L/4截面处，施加二期恒载后，变形最大值达到62.1 mm，但整个施工工程中位移最大值均在容许范围内;稳定系数值在施工过程中最小时为17，也能满足施工要求［4，5］(见图3～图5)。

图3　钢管拱圈最大应力（一）

图4　钢管拱圈最大位移（一）

2.2施工方法二

在方法二施工顺序下，拱圈的最大应力出现在拱脚处或拱脚变截面处，最大值为－95 MPa，在容许值范围内;拱圈的最大竖向位移基本上都出现在拱顶，施加二期恒载后，最大位移值达到49.6 mm，但也在容许值范围内;稳定系数值在施工过程中最小时为15，也能满足施工要求(见图6～图8)。

2.3施工方法三

图5　稳定系数（一）

图6　钢管拱圈最大应力（二）

图7　钢管拱圈最大位移（二）

图8　稳定系数（二）

在方法三施工顺序下，拱圈的最大应力值出现在拱脚处，最大值为77.2 MPa，在容许值范围内;拱圈的最大竖向位移出现在拱顶处，施加二期恒载后，拱圈最大位移值达到57.2 mm，但也在容许值范围内;稳定系数值在施工过程中最小时为16.2，也能满足施工要求(见图9～图11)。

图9　钢管拱圈最大应力（三）

3　对三种施工方法进行对比分析

3.1钢管拱圈最大应力对比

图10　钢管拱圈最大位移（三）

图11　稳定系数（三）

从图12中可以看出，上拱圈在整个施工过程中处于受压状态。三种施工方法下的拱圈应力变化走向趋于一致。按照方法三的顺序进行施工，拱圈承受的应力最小，按照方法二的顺序施工，拱圈承受的应力值介于方法一和方法三之间。

图12　三种方法钢管拱圈最大应力对比

3.2钢管拱圈最大位移对比

图13是按照三种施工方法下钢管拱圈竖向最大位移对比图，施工方法二的钢管拱圈竖向位移基本上都小于方法一和方法三的位移。方法三的钢管拱圈在前四步竖向位移大于方法一和方法二，方法一的钢管拱圈在后四步竖向位移均大于方法二和方法三。

图13　三种方法钢管拱圈最大位移对比

3.3最小稳定系数对比

图14是按照三种施工方法下钢管拱圈最小稳定系数的对比情况，最小稳定系数线性在三种施工方法下出现了不同程度的起伏变化。方法一的最小稳定系数变化幅度小于方法二和方法三，方法三前两步的稳定系数变化急速且幅度较大，对施工安全有一定的影响。方法二与方法一最小稳定系数线性前两步变化规律一样，后几步的变化规律又与方法三一样［6］。

图14　三种方法最小稳定系数对比

4　结语

在钢管拱圈合龙后，后续的拱上建筑假定了三种不同的施工方法，基于钢管拱圈应力、钢管拱圈竖向位移变化、稳定系数等三方面考虑，对于三种施工顺序进行比较，选取一种较为合理的方法。加之当浇筑钢管内的混凝土强度按要求达到设计强度的80%以上［6］才能进行下一步工序，而混凝土强度在标准条件下能达到设计强度的80%，时间约为7 d，此外还应计入安装拱上立柱和钢箱梁的顺序和工期。因此，方法二有较为合理的施工顺序，不仅能够同时满足桥梁施工、成桥、运营阶段的安全和受力要求，还能达到缩短工期的目的。

参考文献:

［1］唐鹏.哑铃型钢管混凝土拱桥缀板内填混凝土影响分析［D］.西安:长安大学硕士学位论文，2013.

［2］陈宝春.钢管混凝土拱桥应用与研究进展［J］.公路，2008 ( 3) :95-97.

［3］陈宝春.钢管混凝土拱桥［M］.第3版.北京:人民交通出版社，2006.

［4］钟善桐.钢管混凝土结构［M］.第3版.北京:清华大学出版社，2003.

［5］蔡绍怀.现代钢管混凝土结构［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［6］公路桥涵设计通用规范［M］.北京:人民交通出版社，1989.

Analysis on the influence of construction sequence of the arch rib on the concrete filled steel tube arch bridge

Tang Peng Gong Sai
( Nanyang Institute of Technology，Nanyang 473004，China)

Abstract:Taking the dumbbell-style concrete-filled steel tubular arch bridge as an example，applying MIDAS/Civil finite element model，starting from aspects of maximum stress，maximum displacement and minimum stability coefficient，the paper comparatively analyzes post construction procedures of three kinds of steel tubular arch ring，which has provided some theoretical basis for shortening arch bridge construction duration.

Key words:concrete-filled steel tubular，arch bridge，stress，displacement，stability coefficient

作者简介:唐鹏(1987-)，男，硕士，讲师;宫赛(1986-)，女，硕士，讲师

收稿日期:2015-11-28

文章编号:1009-6825( 2016) 04-0172-03

中图分类号:U445

文献标识码:A