大跨度钢管混凝土拱桥拱肋混凝土施工技术仿真

李玉忠 梁玲玉 乔春蕾 郭 强 于枫珍

(河北建筑工程学院，河北 张家口 075000)

近年来，钢管混凝土拱桥凭借其自重轻、承载能力大、施工方便等特点，逐渐受到桥梁设计师的青睐，尤其是对于大跨度桥梁.但由于应用时间较短，钢管混凝土拱桥的设计、施工、检测等方面还有待进一步研究.对于大跨度劲性骨架钢管混凝土拱桥，拱肋的施工是一道关键工序，难度和风险较大，必须对拱肋的施工过程加以严密的控制[1].大跨桥梁结构的强度、刚度、稳定性是工程人员要密切关注的，尤其是结构的稳定性.失稳破坏是一种不可逆的破坏，更应引起重视.目前，稳定性控制主要是通过预先对结构进行施工阶段的稳定安全系数计算，再综合应力、变形等指标进行评定.随着国内外大型结构计算软件的发展，通过施工过程仿真计算，能明显提高施工效率，特别是对于大跨度桥梁[2].因此，为了确保大跨度钢管混凝土拱桥的顺利施工，必须对其施工过程进行严格控制，对其施工过程进行仿真计算具有重要的意义.

1 工程概况

本文以某铁路劲性骨架钢管混凝土拱桥为背景，利用大型有限元软件Midas模拟其拱肋混凝土的施工过程.该桥主桥为上承式拱桥.拱肋截面除拱脚以上4.25 m为实体外余均采用变高箱形截面，拱脚截面高度为5.4 m、宽度为2.3 m，顶板厚度为0.5 m，底板厚度为0.5 m，腹板厚0.4 m，拱顶截面高度为3.2 m、宽度为2.3 m，顶板厚度为0.5 m，底板厚度为0.5 m，腹板厚0.4 m，拱肋截面高度符合立特变化.全桥拱肋又上、下弦杆，斜腹杆，竖腹杆等焊接而成，并外包混凝土，采用C55混凝土.

全桥布置如图1所示.

图1 全桥布置图(m)

2 拱肋混凝土施工过程简介

该桥仿真采用临时拱架作为施工支架，待劲性骨架拼装完毕后，就一次落架.先进行钢管内充混凝土，再进行劲性骨架外包混凝土的浇注.

钢管内充混凝土养护成型后，浇注拱肋混凝土.由于拱肋劲性骨架不能够承受所有混凝土的湿重，所以拱桥拱肋外包混凝土采用分层分段的方法进行施工.经多种方案比选，最终确定拱肋混凝土采用“四环六面”法进行施工.

“四环”是指将拱肋截面分为四环，第一环为底板，第二环为下倒角，第三环为腹板，第四环为上倒角和顶板，每施工完一环，待其养护成型和钢骨架连接在一起后，再进行下一环的浇筑.

“六面”是指将每一环再分为六个阶段，浇筑每一环时，六个阶段同时施工，最终实现该环拱肋混凝土的施工.

拱肋混凝土的浇注过程采用大型有限元软件Midas进行模拟.先浇筑拱脚实心段混凝土，再分环分段浇筑拱肋混凝土.

拱肋混凝土“四环六面”法施工示意如图2所示，劲性骨架有限元模型如图3所示.

图2 拱肋混凝土施工示意图

图3 拱肋有限元模型

3 拱肋混凝土施工应力分析

通过有限元分析计算，各施工阶段劲性骨架各杆件的应力变化如表1～5所示.

表1 拱脚混凝土浇筑后主要杆件组合应力表

表2 一环混凝土浇筑后主要杆件组合应力表

表3 二环混凝土浇筑后主要杆件组合应力表

表4 三环混凝土浇筑后主要杆件组合应力表

表5 四环混凝土浇筑后主要杆件组合应力

根据表1～5，得出主要杆件组合应力随施工阶段的变化，如图4所示.

图4 主要杆件组合应力随施工阶段变化图

从表1～5和图4，可以得到如下结论：

(1)钢管组合应力最大值出现在四环混凝土浇筑后，大小为50.4 MPa，不超过Q345钢材的容许值，结构可认为是安全的.

(2)各主要杆件的组合应力随施工阶段基本上呈逐渐增加的趋势，浇筑第三、四环混凝土时，应力有所降低，这是由于前几环混凝土已经成型，与劲性骨架一起承担荷载.

(3)结构自重主要由上下弦杆承担，其应力较大.

(4)结构的形变量随施工阶段而逐渐增大，最大的形变量在跨中位置，为3.4 cm，相对于140 m的跨度来说，相对形变仅为1/4118，形变量很小，对使用阶段产生的影响很小.

4 拱肋混凝土施工稳定性分析

钢管混凝土拱桥的稳定安全一直是桥梁工程界关注的重点问题.国内外尚未颁布有关钢管混凝土拱桥稳定性分析的相关规范，故借鉴公路和铁路桥梁规范，公路桥梁规范中的拱桥稳定安全系数≥4.0，铁路桥梁规范中的拱桥横向稳定安全系数>4～5.基于现已服役的钢管混凝土拱桥的设计经验，取本桥的稳定安全系数为4～5.

拱架的整体稳定按线弹性进行计算，因此应满足规范所要求的稳定安全系数大于5.考虑到拱肋混凝土施工完成后，拱肋与混凝土结合在一起，大大增强了结构的刚度，故仅对拱脚混凝土施工阶段、一环混凝土施工阶段、二环混凝土施工阶段、三环混凝土施工阶段和四环混凝土施工阶段进行拱架稳定性的分析.结果如表6所示.

表6 各个施工阶段及模态下结构的临界荷载系数

从表6可以看出：拱肋混凝土施工的各个阶段，稳定系数均大于5，说明各阶段结构都是稳定的.一环混凝土浇筑时，结构的稳定系数偏小，由于此时混凝土湿重是由钢管拱架独自承担的，所以稳定系数偏小一些；在后续的施工阶段中，稳定系数都在10以上，钢管拱架与混凝土结合在一起，刚度增加，稳定系数也随着提高.

5 结 论

通过大型有限元计算软件Midas对某大跨钢管混凝土拱桥拱肋混凝土的浇注进行了模拟仿真，计算结果显示，按着“四环六面”法施工拱肋混凝土的方案是可行的，且各个施工阶段的稳定性也满足要求.对于大跨径桥梁的施工，施工阶段的各项指标，尤其是稳定性，往往关系到桥梁结构的安全，是不可逆的破坏形态.因此，对于大跨桥梁的施工进行仿真分析，预测其在各施工阶段的应力、线型和稳定性状态，对于桥梁施工方案的具体实施有着重要的意义.

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