劲性骨架拱桥拱圈外包混凝土分环连续浇筑方案研究

李 成，黎 群，黄贤智，车 野

(广西交通职业技术学院，广西 南宁 530023)

0 引言

近年来，劲性骨架拱桥以其卓越的跨越能力以及便于后期维护等优点[1-2]受到桥梁工程师的青睐。这类大跨径拱桥通常采用无支架施工，其施工过程是先悬拼钢骨架[3]，再浇筑钢管混凝土，最后外包混凝土[4]。其中，拱圈外包混凝土的施工一直都是该桥型的控制难点，也形成了很多系统的控制理论。据已有研究表明：单一的控制方法会导致拱圈钢管混凝土和外包混凝土出现过大拉应力等问题[5]。本文将以某桥为例，模拟斜拉扣挂法对施工过程进行控制，并对比分析不同工况下该桥分环连续浇筑过程中结构应力变化情况，为今后同类型桥梁外包混凝土浇筑提供参考。

1 工程概况

某桥为劲性骨架拱桥，拱圈计算跨径为416 m，计算矢高为99 m，拱轴线为拱轴系数1.8的悬链线，其主桥立面布置如图1所示。主桥拱圈采用单箱三室变宽度箱形截面，拱顶段宽度为16.8 m等宽，拱脚65 m为26.8～16.8 m变宽，截面高度均为8.5 m。边箱顶板、底板、腹板均为变厚度，从拱脚到拱顶逐段变化，其中拱脚底板最厚为110 cm，拱顶处底板最薄为55 cm，中箱底板、顶板、腹板厚度均为60 cm。外包混凝土方量为2 400 m3。骨架钢管采用q355钢材，钢管混凝土采用C80高性能混凝土，外包混凝土采用C50高强混凝土。拱圈截面如图2所示。

图1 某桥立面布置图(cm)

图2 某桥拱圈截面示意图(cm)

目前大跨径劲性骨架拱桥外包混凝土浇筑一般采用斜拉扣挂分环连续浇筑法[6]，该法施工要求混凝土连续浇筑能力强。根据现场实际情况，该桥外包混凝土分六环连续浇筑，即边底板→下腹板→上腹板→边顶板→中底板→中顶板。外包混凝土分环连续浇筑示意图如图3所示。本文扣索锚固位置根据主拱圈拱脚、1/4L及拱顶弯矩影响线确定。具体做法是，取1/2上弦杆作为影响线计算模型，寻找影响线最大值的位置，影响线最大值位置可作为扣索设置点。理论上，在该位置设置扣索，作用效率最高[7]。控制截面影响线示意图如图4～6所示。

图3 外包混凝土分环连续浇筑示意图

图4 拱顶截面弯矩影响线示意图

图5 1/4L截面弯矩影响线示意图

图6 拱脚截面弯矩影响线示意图

由图4～6可知，1/4L截面负弯矩影响线最大值位置已经距离跨中截面弯矩影响线所确定的扣点位置较近，为简化计算不考虑该点。本文取跨中截面弯矩影响线最大值位置和拱脚截面弯矩影响线最大值位置这两点作为斜拉扣索设置点。扣点设置如图7所示。

图7 扣索设置示意图

2 模型分析

采用Midas Civil软件对本桥拱圈外包混凝土分环连续浇筑进行模拟分析[8]。本模型共计单元数为9 302个，其中板单元2 002个，梁单元7 300个。有限元模型中钢管混凝土采用施工阶段联合截面模拟，钢管、弦杆采用梁单元模拟，外包混凝土采用板单元模拟。拱脚固结，扣索索力采用等效节点荷载代替，混凝土硬化前湿重采用节点荷载加载，硬化后再激活相应板单元，钝化节点荷载。外包混凝土在第一、第二环形成强度后，骨架和外包混凝土形成整体刚度，扣索对结构的调载效果减弱，所以本文研究的斜拉扣索调载只作用于第一环和第二环浇筑过程中。经过现场实际调研，本文模拟以下四个荷载工况以分析外包混凝土分环连续浇筑，并对比得到最优的拱圈外包混凝土连续施工方案[9-10]。

(1)工况一：浇筑第二环获得强度后放松1#扣索、2#扣索。

(2)工况二：浇筑第三环获得强度后放松1#扣索、2#扣索。

(3)工况三：浇筑第四环获得强度后放松1#扣索、2#扣索。

(4)工况四：浇筑第三环获得强度后放松2#扣索，浇注第四环获得强度后放松1#扣索。

3 计算结果与分析

3.1 劲性骨架的钢管受力

劲性骨架外包混凝土浇筑过程中，钢管骨架内包钢管混凝土外包混凝土，在施工初期要承担钢管混凝土荷载，后期和钢管混凝土一起承担外包混凝土浇筑的荷载，受力复杂。据已有研究成果可知，劲性骨架拱桥施工过程中拱脚和拱顶截面受力非常不利。下页图8展示了四个工况每环浇筑过程中上、下弦杆拱脚截面、1/4L截面、拱顶截面等截面的应力变化情况。图中应力以受拉为正、受压为负。

由图8可知：

图8 劲性骨架上下弦杆控制截面应力变化对比曲线图

(1)在外包混凝土浇筑过程中，骨架钢管各控制截面应力发展曲线缓和，未出现有应力突变的情况，上弦杆拱脚截面应力随着施工进度逐渐减小最后达到恒定，这是因为随着第一、第二环浇筑完毕，混凝土硬化，拱圈刚度增大，拱脚负弯矩减少；其余控制截面弦杆应力随着施工进度应力逐渐增大最后达到恒定状态。

(2)骨架钢管应力分析结果显示，工况一钢管应力最大值为258 MPa；工况二钢管应力最大为262 MPa；工况三钢管应力最大为257 MPa；工况四钢管应力最大为256 MPa。四个工况钢管最大应力都未超过钢管屈服强度355 MPa。

上述计算结果表明：设置斜拉扣索对劲性骨架外包混凝土浇筑过程中钢管的应力控制效果良好。从钢管受力分析角度考虑，采用工况四进行外包混凝土浇筑优于其余三种工况。

3.2 劲性骨架钢管混凝土受力

劲性骨架外包混凝土浇筑过程中，因为负弯矩的影响导致拱脚部位钢管混凝土易出现较大拉应力，图9展示了四个工况每环浇筑过程中上弦杆钢管混凝土拱脚截面、1/4L截面、拱顶截面等截面的应力变化情况(限于篇幅，仅展示上弦杆截面图)。

由图9可知：

图9 劲性骨架上弦杆钢管混凝土控制截面应力变化对比曲线图

(1)在外包混凝土浇筑过程中，四个工况钢管混凝土各控制截面应力变化均比较均匀，无突变情况；第一环和第二环混凝土应力提升较快，后期应力发展平缓。这是因为早期浇筑的外包混凝土与骨架形成整体，与骨架共同受力，提高了骨架的刚度。

(2)钢管混凝土应力分析结果显示，四个工况外包混凝土浇筑过程中各控制截面均无拉应力，且都出现在拱脚截面，工况一钢管混凝土最大压应力为16 MPa；工况二钢管混凝土压应力最大为20 MPa；工况三钢管混凝土压应力最大为23.9 MPa；工况四钢管压应力最大为26 MPa。四个工况钢管混凝土最大压应力都未超过C80抗压强度设计值35.9 MPa。

上述计算结果表明：通过设置斜拉扣索能避免劲性骨架外包混凝土浇筑过程拱脚钢管混凝土产生拉应力，且能保证钢管混凝土压应力小于设计抗压强度。工况一钢管混凝土压应力小于其他三种工况钢管混凝土应力，从钢管混凝土受力角度考虑，采用工况一进行外包混凝土浇筑优于其余三种工况。

3.3 劲性骨架外包混凝土受力

劲性骨架外包混凝土浇筑过程中，外包混凝土的受力是工程师容易忽略的地方，在浇筑外包混凝土未形成箱型截面之前，整个拱圈刚度较小，外包混凝土易出现较大拉应力，图10、图11展示了四个工况每环浇筑过程中上、下腹板拱脚截面、1/4L截面、拱顶截面等截面的应力变化情况。

由图10、图11可知：

图10 下腹板控制截面应力变化对比曲线图

图11 上腹板控制截面应力变化曲线图

(1)外包混凝土在浇筑过程中，上下腹板混凝土会出现拉应力，其中工况一和工况二拱脚部位分别会产生3.03 MPa和3.14 MPa的拉应力，超过C50抗拉强度设计值1.89 MPa；工况四在拱脚截面分别会产生1.56 MPa的拉应力，这是由于外包混凝土浇筑过程中拱脚部位会产生较大负弯矩。

(2)外包混凝土在浇筑过程中，上下腹板混凝土的压应力较小，不超过5 MPa，说明外包混凝土施工过程中荷载主要由钢管混凝土骨架承担。

上述计算结果表明：通过控制斜拉扣索能有效控制外包混凝土施工过程拱脚截面外包混凝土的拉应力，保证施工质量。工况一和工况二施工过程拱脚截面外包混凝土产生拉应力超过C50混凝土抗拉强度设计值，综合对比，从外包混凝土受力角度分析，工况三优于其余三个工况。

通过对四种工况的外包混凝土施工过程进行分析对比可知：设置斜拉扣索能有效改善施工过程中钢管、钢管混凝土、外包混凝土的受力，工况三在施工过程中的钢管、钢管混凝土、外包混凝土受力均满足结构应力设计要求，优于其余三种工况。

4 结语

通过模拟分析某劲性骨架拱桥主拱圈外包混凝土施工过程，分析对比了四种工况下控制截面的钢管应力、钢管混凝土应力、上下腹板应力，得到以下结论：

(1)设置斜拉扣索对外包混凝土浇筑过程中钢管的应力控制效果良好，工况二钢管最大压应力为262 MPa，小于钢管屈服强度355 MPa。

(2)劲性骨架外包混凝土浇筑过程中，通过设置斜拉扣索能避免拱脚截面钢管混凝土因负弯矩产生的拉应力，且能有效控制钢管混凝土最大压应力，工况四钢管混凝土最大压应力为26 MPa，小于C80混凝土抗压强度设计值35.9 MPa。

(3)劲性骨架外包混凝土浇筑过程中，通过调整斜拉扣索能有效控制外包混凝土的拉应力，其中工况一、工况二、工况四外包混凝土会产生的拉应力超过设计值，不利于外包混凝土的施工质量控制，综合对比选用工况三最合适。