钢管混凝土拱桥混凝土浇筑对劲性骨架受力影响分析

王 超， 张 涛,2

(1.河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南 郑州 450000;2.河南省交院工程检测科技有限公司，河南，郑州 450000)

0 引 言

大跨径钢管混凝土拱桥钢管根数多、跨度大，进行混凝土浇筑时要考虑到混凝土的浇筑次序和凝固时间。由于钢管内的混凝土是逐渐凝固的，浇筑混凝土的过程也是劲性骨架刚度形成的过程。不同的浇筑次序会导致不同的荷载效应，对劲性骨架的刚度和结构受力都有较大影响，因此研究钢管混凝土的浇筑过程有其必要性。

钢管混凝土拱桥的主要受力结构就是钢管混凝土拱肋组成的劲性骨架。钢管运至施工现场，按照施工方案分阶段拼装焊接，先形成钢拱结构，然后向钢管内部浇筑混凝土。混凝土凝固后和钢管共同作用发挥承载能力。劲性骨架的施工质量和施工阶段的受力需要重点关注和分析。

本文依托于某大跨径钢管混凝土拱桥项目，从劲性骨架施工完成后开始分析，首先分析了骨架本身应力情况，然后比较了钢管内混凝土的不同浇筑顺序对结构的影响，主要分析了结构的应力和稳定性，最后比较了混凝土不同浇筑间隔下成桥劲性骨架钢管应力的不同。

1 钢拱肋合龙阶段应力状态分析

某下承式钢管混凝土拱桥，全桥长380 m。结构两侧布置拱肋，每侧拱肋由上下各3根φ480 mm×18 mm的钢管组成，内浇筑C80混凝土。两侧拱肋之间通过横联角钢和竖向角钢连接构成桁架体系。设计总体布置如图1所示。

图1 主桥总体布置图

分析不同的施工方案对劲性骨架的不同影响，需要首先分析钢管合龙后混凝土浇筑前拱肋本身的应力情况，选取左侧拱肋，分析合龙后各钢管应力。由于关于中心对称的钢管应力反应基本一致，因此仅列出半跨范围内的下层1#、2#，上层3#、4#钢管应力。钢管布置及编号如图2所示，应力曲线如图3所示(压应力为“-”，拉应力为“+”，以下同)。

图2 劲性骨架钢管横断面图(单位：m)

图3 1#～4#钢管合龙后应力图

可见钢管合龙时，跨径范围内钢管应力有一定的规律。对于上弦或下弦而言，中间钢管和两侧钢管的应力趋势基本一致，数值有稍微差别。上下弦钢管之间有明显的差异。上弦钢管在拱脚位置有极大值，之后逐渐减小，到1/8附近达到极小值，随后逐渐增大，到拱顶位置达到极大值，全跨范围内绝对值最大发生在1/8附近位置。下弦钢管则相反，在拱脚位置有极小值，之后逐渐增大， 1/8附近为其极大值，随后逐渐减小到拱顶位置达到极小值，全跨范围内绝对值最大发生在拱顶位置。

2 不同混凝土浇筑顺序下钢拱肋应力分析

钢骨架合龙后，即可开始浇筑钢管混凝土。拱肋钢管为空间结构布置，因此可选择多种施工顺序。主要区别为上、下顺序的不同和内、中、外顺序的不同。混凝土一经浇筑，即成为劲性骨架的一部分。随着混凝土强度逐渐增加，劲性骨架的承载能力也在不断变化。因此混凝土的浇筑顺序会对劲性骨架的承载能力有一定影响。为研究此问题，使用桥梁专用有限元软件MIDAS Civil建立桥梁模型进行计算。施工方案为：两岸对称浇筑，假定每5天浇筑一对钢管，每对钢管浇筑5天后即下一对钢管开始浇筑时开始受力，全部钢管浇完要30天。

选定的4种浇筑方案见表1，分析不同浇筑方案下劲性骨架施工完成后钢管的应力，上下弦中心1#、2#钢管的应力计算结果较有代表性，其应力曲线见图4。

表1 不同混凝土浇筑顺序方案

图4 不同施工方案下1#、2#钢管应力图

与合龙后钢管应力比较，上下弦钢管应力都有一定的增幅，在30～50 MPa之间。不同的施工方案下钢管应力值差别极小，沿跨径变化趋势基本相同，说明浇筑顺序的变化对钢管最终应力影响很小。

3 不同混凝土浇筑顺序下结构稳定性分析

施工过程中不仅要进行强度计算，还要关注结构的稳定性。拱肋结构失稳，一般是两侧拱肋尚未连接成桁架体系时，施工荷载达到临界值，使拱肋离开受载的平面向空间弯扭。根据工程惯例，拱肋的线弹性稳定系数须大于4。

参照表1的5种施工方案，计算出各种施工方案下各施工阶段劲性骨架的稳定系数，以对比分析不同施工顺序对劲性骨架稳定性的影响。定义浇筑每一对钢管为一个施工阶段，共6个施工阶段，各阶段稳定系数见表2。

表2 不同混凝土浇筑方案下的线弹性稳定性系数

可见，随着混凝土的浇筑，各种方案的稳定性都会降低，方案3在施工过程中结构的稳定性最好。对本桥而言，各种方案的稳定系数均大于4，说明即便不考虑辅助安全措施，结构的稳定性也是极好的。事实上，即使计算通过，现场也会增设抗风揽或者支架以增加稳定安全系数，这是为了防止材料非线性造成的计算误差。

一般而言，对于小跨径的钢管混凝土拱桥，由于每次浇筑的混凝土数量不多，不同的浇筑顺序对钢管混凝土浇筑施工的稳定性影响不大。对于大跨径多拱肋的钢管混凝土拱桥，由于施工工序复杂，浇筑混凝土量多，浇筑混凝土的施工顺序对结构内力影响复杂，其稳定性需根据具体的桥梁结构和施工方案详细分析。

4 不同混凝土浇筑间隔下结构稳定性分析

为分析混凝土浇筑间隔的不同对钢管骨架应力的影响，现以方案3为例，将混凝土浇筑间隔分别定为1、5、15 d。施工完成后，得到骨架钢管应力，此处展示上下弦中心1#、2#钢管应力状况，如图5所示。

图5 不同龄期方案下1#、2#钢管应力图

可见，不同混凝土浇筑间隔得到的钢管应力趋势是基本相同的。浇筑间隔越长，则施工完成后应力状况越好，因此尽量不要采用1 d间隔连续浇筑混凝土，综合考虑安全与工期因素，采用5 d是最佳选择。

5 结 论

(1) 钢管合龙时，跨径范围内钢管应力有一定的规律。上弦三根钢管应力趋势一致，下弦三根钢管应力趋势一致，但上下弦钢管之间有明显的差异。上弦钢管全跨范围内绝对值最大发生在1/8附近位置，下弦钢管全跨范围内绝对值最大发生在拱顶位置。对上弦或下弦三根钢管而言，两侧对称钢管数据基本一致，中间钢管数据有稍微差异。

(2) 对同一钢管而言，不同的施工方案下应力趋势和数值基本一致，差别极小，因此可以认为在理想的施工条件下，钢管混凝土劲性骨架的最终应力与浇筑顺序无关。

(3) 对规模较小的钢管混凝土劲性骨架，由于每次浇筑的混凝土数量不多，不同的浇筑顺序对劲性骨架的稳定性和受力影响不大。对于大跨径多拱肋的钢管混凝土拱桥，则需要根据具体的桥梁和施工方案详细分析。对本桥而言，采用内-中-外(下-上)的顺序稳定性最好。

(4) 浇筑混凝土的间隔越长，施工完成后应力状况越好，与1 d和15 d相比，采用5 d是结构应力和工期兼顾的最佳选择。实际施工时可考虑现场人员、机械和气温等条件综合安全与工期因素具体选择浇筑间隔，尽量不要采用1 d间隔连续浇筑混凝土。