泵送混凝土对钢管拱肋受力性能影响分析

王志山

摘要：本文主要针对目前钢管混凝土拱桥泵送混凝土施工阶段混凝土与钢管拱肋之间的相互受力问题进行研究，利用流固耦合的方法研究钢管混凝土拱桥在泵送施工阶段的整体及局部受力情况，为类似拱桥施工提供参考。

关键词：泵送；混凝土；钢管；拱肋

中图分类号：U445 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）30-0133-04

1工程概况

杭长客运专线乌溪江特大桥位于浙江省衢州市境内，主桥上部构造采用上承式哑铃型钢管混凝土拱肋，全长132m，矢跨比1/5，在拱肋平面内矢高25.6m，拱肋采用悬链线线型。系梁采用单箱三室预应力混凝土箱梁截面，吊杆采用尼尔森体系，索体采用PES（FD）低应力防腐索体，并外包不锈钢防护。

2总体施工方案

乌溪江特大桥大跨度钢管混凝土拱桥灌注混凝土采用泵送法施工。泵送混凝土是在混凝土泵的压力推动作用下沿输送管道进行运输并在管道出口直接浇筑的混凝土。混凝土的泵送施工已经成为钢管混凝土拱桥施工过程中的重要方法，该方法不仅可以改善混凝土施工性能、提高混凝土质量，而且可以减轻劳动力、降低成本等。

本桥总体施工方案采用满堂支架法浇筑主梁及架设空钢管拱肋，然后以钢管作为劲性骨架灌注管内混凝土，等到整个钢管混凝土拱圈形成并且管内混凝土达到一定强度后进行吊杆的张拉，最后进行桥面铺装。施工过程划分为四个主要阶段：施工系梁、架设钢管拱肋、灌注管内核心混凝土及张拉吊杆。主要介绍钢管拱肋的架设与拱肋混凝土灌注方法。

2.1钢管拱肋的架设

拱肋钢管采用Q345D钢材。钢管的制作由钢厂承担，钢管拱肋在在室内分段卷制焊接，在钢管拱预制场进行试拼。对接无误后再进行喷铝等防锈处理。空钢管的架立采用满堂支架安装。系梁和拱脚混凝土浇筑完毕达到设计强度的95%后，进行拱肋钢管的安装。先在支架上安装两边段拱肋就位，再吊装中间段进行合拢，每一孔吊装完成后及时安装缆风，保持钢管拱肋的稳定。待标高、线形调整合理后，安装、焊各接头处焊缝，浇筑拱脚处承台混凝土封拱脚，再安装横撑固定拱肋，最后拆除支架，因此拱肋的安装可以按一次落架计算。

2.2拱肋混凝土灌注方法

乌溪江特大桥具有跨度大、拱顶高，混凝土泵送距离长、高度高、阻力大、施工时间长等特点，因此，乌溪江特大桥的钢管混凝土灌注施工难度大、技术要求高。管内混凝土的配制是泵送混凝土阶段的关键技术，钢管内核心混凝土除了要有良好的高强、早强及良好的可泵性之外，还需要考虑其自密实性和收缩性，以保证泵送混凝土的质量。

钢管拱肋132m的管内混凝土采用顶升法灌注，在钢管拱脚部位适当位置处开压浆口，焊上设有闸阀的钢管进料口，直径大小为125mm。进料口钢管与泵送管相连，并沿拱轴线在钢管顶部设若干个排气孔，混凝土在泵压作用下，由下向上顶升推进。在重力作用下，混凝土挤压密实，气泡及泌水则从排气孔排出，最后混凝土与拱肋钢管紧密固结，共同工作。

该桥跨度大，拱顶高，单根钢管很难一次灌完，所以进行分仓灌注。乌溪江特大桥拱肋进行分仓，每根钢管分为4个仓，经过优化比选，确定以下列顺序进行灌注：灌注上管→灌注下管→灌注腹腔。

3灌注混凝土阶段钢管拱肋受力分析

本文采用流固耦合的方法对钢管拱肋灌注施工时的受力进行分析，利用流体力学计算软件计算出混凝土流体对钢管壁施加的法向压力及切向剪切力，然后将所得到的荷载导入结构计算软件进行结构分析。

3.1全桥模型应力计算

钢材性质符合Von-Mises理论，钢材的应力结果可采用等效应力结果。

灌注上管与下管时拱肋钢管等效应力云图如图1、图2所示。由于钢管截面为圆形，截面应变主要为切向拉应变，从整体来看钢管拱肋的等效应力较小，不大于20MPa。钢管在两处地方等效应力值较大：

①在拱肋与套管焊接处由于应力集中，等效应力最大达到63.6MPa，但高应力区很小，对结构整体受力影响很小：

②在混凝土泵送支管与拱肋焊接处也存在应力集中现象，等效应力较大。以灌注上管时为例，上管开口处等效应力为34.1MPa，腹板开口处等效应力为60.9MPa，下管开口处等效应力最大，为89.6MPa。从图1、图2的细部图可以看出，高应力区域范围均很小。

灌注腹腔时拱肋钢管的等效应力云图如图3所示。在灌注腹腔时，在腹腔不设加劲钢筋的情况下，等效应力相比灌注上下管急剧增大，拱肋下部腹板大部分区域等效应力值超过了材料的屈服应力345MPa。等效应力最大值发生在钢管与腹板连接处，从图3细部图中可以看出，等效应力值为832.4MPa。腹板和钢管之间的焊缝很可能被拉裂而引发爆管事故。腹板在混凝土流体的压力作用下会外鼓，此时对应的最大横向变形值达到20mm。

3.2腹腔加劲方案

灌注管內混凝土时，由于上下管为圆形，钢管截面以环向拉力为主，因此等效应力及变形相对较小。但在套管与拱肋钢管焊接处等效应力值较大：而在灌注腹腔混凝土时，在不设腹腔拉筋时，腹板处会产生很大的弯矩，使截面等效应力很大，在泵送压强相差不大的情况下，灌注腹腔时结构的最大等效应力要大大高于灌注上下管时的最大应力。因此，为防止拱肋钢管在灌注腹腔混凝土时发生鼓包及可能出现的爆管现象，乌溪江特大桥在拱肋腹腔内沿程设置了加劲角钢及钢筋，加劲角钢和钢筋端部焊接于腹板内侧，钢筋同时也与角钢焊接在一起。加劲钢筋实际为两排，沿拱轴线间距为50cm。

3.3拱肋局部模型计算

为分析泵送压力下钢管拱肋的应力大小，建立4m长的局部模型进行分析。局部模型中将不考虑上下钢管中加劲箍的加劲作用，在中间位置处设置垂直于拱肋的吊杆套管。并对模型做如下假设：①管内的压强按均布考虑；②忽略自重影响；③不考虑加劲角钢对腹板的加强作用。endprint

拱肋灌注顺序为上管一下管一腹腔，灌注下管时上管内混凝土已经硬化并与拱肋共同受力。在局部模型不考虑重力影响的情况下，由于隔着腹腔，上管的刚度变化对下管的受力影响很小，因此灌注下管时下管截面的受力与上管是否以灌注混凝土关系不大。

3.3.1列出了灌注上管时上管的等效应力及变形结果如表1。

灌注上管时上管等效应力及变形云图（管内压强0.8MPa）分别如图4、图5所示。

上管截面为圆形截面，在均布内压强作用下，钢管处于环向受拉状态。钢管等效应力较小，最大值发生在钢管与套管交接处。在管内压强为0.8MPa下，钢管最大等效应力为82.3MPa，远小于Q345钢的屈服应力；最大变形为0.16mm。因此灌注上管和下管时可以实现一次泵送到顶。

3.3.2列出了灌注腹腔时不设拉筋情况下腹板的等效应力、变形结果如表2。

腹板等效应力云图及横向变形（管内压强0.6MPa）如图6、图7所示。

3.3.3同理列出了加设拉筋情况下灌注腹腔时腹板的等效应力、变形结果及腹板加劲钢筋的计算结果如表3。

3.4计算结果分析

①加设钢筋拉杆后，由应力云图可知腹板应力分布发生改变，腹板与拉杆连接的位置将出现应力集中。同时腹板与圆管交界处应力变小，不再是控制腹板受力的薄弱区域：

②钢筋拉杆承担了很大部分压强。由于钢筋拉杆的存在，大大减小了腹板的受力水平，使腹板等效应力大大减小。在压强为0.2MPa的情况下，不加钢筋拉杆的工况下腹板大部分区域达到屈服应力345MPa，而加设钢筋拉杆后最大等效应力为77.7MPa，整个腹板均处于弹性变形状态；

③钢筋拉杆同时限制了腹板的变形，保證了结构外观的美观性。在压强为0.2MPa的情况下，不加钢筋拉杆的腹板横向变形为19.5mm，加设钢筋拉杆后横向变形为2.24mm，约为前者的1/10。

④实际加劲方案钢筋拉杆在管内压强为0.5MPa左右即已达到极限强度235MPa，成为结构安全控制因素。因此建议提高钢筋强度等级或加密拉筋间距。

4结束语

通过对乌溪江特大桥钢管拱肋灌注施工时的受力进行分析，成功优化了泵送混凝土施工方案，确保了工程施工质量，受到业主的高度赞扬。建议在以后类似工程施工中在混凝土塌落度损失不大的情况下对哑铃型拱肋的上、下管可以采用一次泵送到顶，但中间腹腔内混凝土建议采用两次接力泵送。另外，腹腔部分左右腹板之间的拉筋数量必须按设计要求布设，同时要确保拉筋与腹板的焊接质量，即焊接强度要大于拉筋母材的强度。endprint