大跨径钢管混凝土拱桥内灌混凝土施工优化

王洋 龙靖

（重庆交通大学，重庆400074）

钢管混凝土拱桥结合了钢材与混凝土的优点，其套箍效应提高了混凝土的延性及承载力，且造价相对较低，在山区桥梁中修建较多。钢管混凝土拱桥钢管重量轻，吊装方便，待空钢管安装完成后，以钢管为模板向内灌注混凝土。钢管混凝土拱桥截面刚度随灌注混凝土增加逐渐增加，因此管内混凝土灌注方案不同，荷载作用位置不同，钢管受力会有一定差异，且施工过程拱肋稳定性也会有影响。一种较优的灌注方案应使钢管受力较均匀，施工过程结构稳定性较好。

图1 某大跨径钢管混凝土拱桥内灌顺序

1 优化方案提出依据

目前管内混凝土灌注通常为单根钢管灌注，南北岸对称从拱脚向拱顶灌注。灌注过程混凝土自重作用未经过桥轴线将产生扭矩导致主拱扭转；单根主钢管受混凝土水化热影响温度升高产生横向弯矩；两种作用均会导致主拱横向偏位偏差，根据材料力学扭转公式，跨径越大，横向偏位偏差影响越大。在某大跨径钢管混凝土拱桥灌注过程中测量发现，混凝土灌注完成时拱顶截面横向偏位变化较大，大于规范规定的成拱偏位偏差值；这个偏差值瞬时存在且可恢复的，但应引起重视。根据力学原理，两种作用效果均可以通过沿桥轴线对称灌注两根管内混凝土来消除，因此提出左右幅拱肋对称同步灌注混凝土优化方案。

2 方案有限元仿真模拟对比分析

以某500m 跨径钢管混凝土拱桥灌注过程采用有限元软件midas/civil 进行仿真模拟计算，模型如图2 所示，共有节点3134个，单元6244 个，边界拱脚处固结。本文仅对比单根灌注方案与左右幅拱肋对称同步灌注混凝土优化方案，因此简化为仅计算分析灌注完成两根钢管后结果对比，其他几根灌注过程受力规律类似；有限元模型中施工步骤如下：方案一（单根灌注方案）：主拱钢结构一次激活→第一根混凝土湿重荷载→激活第一根混凝土单元、钝化湿重荷载→第二根混凝土湿重荷载→激活第二根混凝土单元、钝化湿重荷载；方案二（左右幅拱肋对称同步灌注混凝土方案）：主拱钢结构一次激活→第一、二根混凝土湿重荷载→激活第一、二根混凝土单元、钝化湿重荷载。

图2 计算模型示意图

2.1 施工过程横向偏位变化

方案1 施工模拟，灌注第一根时，由于混凝土自重扭转效应横向偏位变化较大，灌注第二根时，横向偏位回到初始位置，但由于第一根混凝土凝固后参与受力，横向偏位并未完全回到初始位置，但其影响可忽略；方案2 施工模拟，由于荷载是对称施加的，理想状态下不会产生横向偏位；计算结果如下表所示，由于结构对称，仅取一侧计算结果。

表1 灌注过程偏位变化值（mm）

2.2 施工过程结构稳定分析

拱桥是以受压为主的结构，特别是钢结构拱桥，施工过程其稳定性至关重要。通过有限元软件屈曲模态分析，分析过程考虑钢结构自重、混凝土湿重以及风荷载；方案1 一阶失稳为横向失稳，稳定系数为12.9；方案2 一阶失稳同为横向失稳，稳定系数为13.8；方案2 较方案1 承受2 倍的混凝土湿重荷载，但由于其荷载沿桥轴线对称施加，且钢管混凝土拱桥一般为面外失稳，方案2 施工过程稳定性略好于方案1。

2.3 第二根灌注完成后应力位移分析

第二根管内混凝土灌注完成后，两种方案下主拱结构截面刚度达到同一状态，若主管应力以及拱肋下挠值相差较小，说明两种方案下形成的钢管混凝土结构施工过程有差异，结果无差异。根据有限元软件计算结果，第二根管内混凝土灌注完成后方案1 拱脚处已灌注混凝土钢管的应力为-87.9MPa、-88.3MPa，1/4L 处应力为-65.0MPa、-65.7MPa，拱顶处应力为-61.8MPa、-62.4MPa；方案1 拱脚处已灌注混凝土钢管的应力为-89.4MPa，1/4L 处应力为-66.4MPa，拱顶处应力为-62.5MPa；方案1 第一根混凝土凝固后与钢管协同受力，因此方案1 钢管应力较方案2 小。第二根管内混凝土灌注完成后方案1、方案2 主拱1/8L、1/4L、3/8L、拱顶处下挠值相差均小于1mm，可忽略不计，施工过程对高程无影响。

3 结论

通过上述两种钢管混凝土拱桥内灌混凝土方案有限元仿真模拟对比分析，单根混凝土灌注和左右幅拱肋对称同步灌注混凝土高程及横向偏位不受方案影响，方案1 钢管应力较方案2小，最大偏差1.5MPa 左右，方案2 较方案1 稳定性较好，灌注过程不会出现拱肋横向偏位值较大变化；方案2 两根同时灌注，可节省工期，但对混凝土拌和站产量要求以及人员配置较高，在实际项目中，钢管拱肋安装完成后便存在横向偏位偏差，加上环境温度、混凝土水化热等影响，如采用单根灌注，拱肋横向偏位累计变化量极易超过规范允许值，建议采用左右幅拱肋对称同步灌注混凝土。