钢管混凝土劲性骨架拱桥转体施工关键技术研究

周 发，张习平，赵志雄，张勇智，杨建勇，杨伟杰，卢征攀

（1.云南云雄建设工程有限公司，云南 大理 671000；2.华能澜沧江水电股份有限公司，云南 昆明 650000）

1 劲性骨架拱桥施工稳定性

1.1 劲性骨架拱桥施工稳定性状况分析

刚性骨架正在向地面浇筑混凝土，其全部的荷载都是由劲性骨架来进行承担的，这会导致整体的结构稳定性出现问题，但是如果在进行混凝土浇筑时，能够使其逐渐变得更加具有刚度，同时参与整体的受力之后，整体骨架的结构稳定性也会不断提升。但是需要注意，在浇筑顶板混凝土的时候，若其荷载全部由劲性骨架以及形成刚度的底板包括腹板混凝土来进行承担，稳定性有可能处于较差的状态[1]。

1.2 劲性骨架拱桥施工稳定性影响因素

劲性骨架拱桥出现失稳的情况，跟其他的一般拱桥出现失稳的情况有着一定的区别，而出现这种情况的主要原因是劲性骨架跟混凝土板本身的受力是依据工程的顺序而进行叠加的，每一次承载结构不一样，所以这也引起了管柱骨架的刚度和腹中杆的应力不均匀，致使整体结构失去稳定性之前局部弦杆就会出现失稳的现象，所以在对于施工稳定性进行计算的时候，一定要考虑各个杆件的受力情况，因为跨度比较大的劲性骨架结构如果出现了结构性变形就会对于内力造成很大的影响，而且每一次加载所造成的位移都是非线性的，在进行计算的时候也必须要考虑到几何非线性。劲性骨架拱桥在不同的施工阶段当中都容易存在施工方面的误差，所以最终也会导致拱桥的拱肋出现高程方面的误差，在正式成桥之后，桥架轴，包括设计轴也会有差异，所以这就要求工作人员必须要在结构初期就对于影响整体桥梁稳定性的缺陷因素进行相应的分析。

2 水平转体施工的原理

水平转体施工可以划分成两个构成部分，分别是有平衡重转体以及无平衡重转体，有平衡重转体指的就是在进行施工的过程当中，需要将拱圈划分成两个半拱，分别在两岸利用更加有利的地形条件，当做是简单的支架，然后预制拱箱，利用结构自身或者是结构用钢构成锚扣体系，张拉扣锁就能够做到使拱箱出现脱架的现象，其转动体系包含着拱箱以及平衡重和上转盘以及扣锁等，把主要的重心放在了磨心和磨盖方面，而磨心和磨盖的公共垂线指的就是转轴整体的重量完全作用在磨心上，重力对于整个转轴的力矩是0，结构在进行转动的时候，需要克服的只是所产生的各种摩擦阻力，因此以这样的条件作为基础，只需要得到一个很小的力矩就能够完成大重量物体的转动，在千斤顶的顶推力的作用条件下，沿着环道滑动就能够把拱箱转到河心就位合龙[2]。

而无平衡重转体施工一共包含着锚固体系以及转动体系和位控体系等构成部分，锚固体系主要包含着锚锭、尾索以及平撑等一系列的结构，锚锭一般会设置在引道和边坡岩层当中，锚梁支撑在立柱上，以这样的方式就可以打造出两个方向的平撑以及尾索共同构成的稳定的三角形结构，让上转轴变成一个能够确定下来的固定点，当拱箱在进行转动的过程当中，无论到了哪一个角度，锚固体系都能够做到平衡，所以以这样的方式能够更好的省去平衡转动体系当中关于平衡的相关需求，而转动体系总共包含着上下轴以及拱箱和扣锁等构成部分，对于位控体系来说，偏心值设置在上下转盘之间，当我们顺利张拉到了设计的吨位之后，拱箱就会出现离架的现象，同时扣索力也自然会出现一个向外的分力，以此就能够有效地形成向外自转的力矩，这样拱架就会自动的向河心转动，节省了吊装的设备，同时也简化了整体施工。

3 钢筋混凝土拱桥劲性框架结构极限承载力和几何参数分析

为了能够有效的针对于钢筋混凝土拱桥劲性骨架的施工技术进行相应的优化，就必须要结合拱桥劲性骨架在进行建设过程当中的几何性能包括材料性能，建立了整个框架结构的极限荷载分析模型。几何性能包括材料性能，建立了整个框架结构的极限荷载分析模型。根据几何特性，包括材料特性，设置了整个框架结构的极限承载力分析模型。通过完成平面受力分析，然后结合整个构建的几何特性，包括材料特性以及这二者之间的关系，选择使用节点锚固性能参数分析的办法，构建出平衡力矩模型，通过极限承载力的相关计算，包括针对于分析混凝土结构技术准则，完成了钢筋混凝土拱桥加劲肋的屈服应力响应[3]。

4 钢筋混凝土拱桥劲性骨架施工的参数优化

对钢筋混凝土拱桥刚骨架的材料配置量、结构参数和屈服强度参数进行了研究，钢筋混凝土拱桥刚架纵向钢筋为HRB400 级，钢筋混凝土拱桥硬骨架的钢筋采用SMA 材料，通过荷载位移的办法，建立一个在弹性阶段以及对屈服阶段的弹性参数进行了分析，得到了重复载荷作用下极限拉应力对应的应变结果[4]。

5 转体的平衡称重方案

以便对整个系统的重量实际分布情况进行精准的分析，确保回转体在运转过程当中的顺利，同时做到平稳的运行，我们还需要应用平衡称重实验对计算结果进行校核，一般情况下，当钢管混凝土拱桥布置在桥梁结构中时，由于各种不对称设计的存在，因此，在整个过程中，它会引起横向分布的不一样，包括后墙结构的预应力张力的不同，结构的重心不可避免地会出现偏移，所以说更需要准确的针对于旋转体系的不平衡力矩进行相应的测量，同时依据具体的情况来打造更加合适的称重方案[5]。

6 施工方案概述

扎西扬顶到古学组跨江大桥的项目，在进行建设的过程当中，桥跨的布置是20m 的简支梁，加上主跨为115m 的钢管混凝土拱，再加上20m 的筒支梁，整体的桥梁全长为182.66m，其中主桥为净跨径115m 的上承式哑铃型拱圈截面钢管混凝土双肋拱，拱桥的上部结构选择使用的是跨径为11m×12m 的钢-混组合连续梁，而左岸以及右岸引桥则选择使用的是单跨20m 的钢-混组合梁。

主拱圈选择利用的是等截面哑铃型双片拱肋钢管混凝土结构，单片拱肋的截面总高度为2.6m，横桥向两片拱肋间的中心距设定为6.0m，哑铃型拱肋上弦管肋间设K 撑。拱肋的上下钢管的外径是ϕ100cm，钢管以及腹板的壁厚都设置成了16mm，上钢管以及下钢管内充C50 微膨胀混凝土，腹腔当中不填充任何混凝土，钢管拱肋对接接头选择利用的是内法兰盘栓接，管外壁焊接的方式来对其进行连接。拱肋间平联横撑选择利用的是ϕ600mm×8mm 的钢管，平联斜腹杆是ϕ350mm×6mm 钢管，平联为ϕ600mm×8mm 的钢管内，需要灌注混凝土。主拱圈节段划分，按照构件的具体运输长度，包括吊装的重量来对其进行相应的控制，单根的拱肋从拱脚一直到拱顶一共划分成五个节段，需要注意的是，这是不含合龙段的，全桥一共划分成了11个节段来完成现场的拼装，最大节段的吊装重量大约为13t。节段之间的接头选择的是内法兰加对接套管的形式来对其进行连接，待节段安装就位之后，并且选择使用高强螺栓等强度连接好法兰盘之后再焊接好套管，并且完成节段之间的连接，本次施工过程当中选择利用的是平转转体的形式来完成合龙。

7 劲性骨架合龙成拱后稳定性分析

7.1 二期混凝土浇筑顺序

在完成了拱肋的转体以及施工合龙之后，工作人员就需要浇筑二期混凝土腹板包括底板的加厚层，在现浇的混凝土并没有真正的完全硬化之前，增加的重量直接增加了整个结构不稳定的情况。在完成了劲性骨架拱圈的合龙之后，二期混凝土在进行浇筑的过程当中所采取的顺序是不同的，所以说这也会对于拱圈的整体稳定性造成很大的影响，而在这个时候则可以站在3 个角度出发来对其进行分析。首先是先对于钢管内混凝土进行浇筑，其次是腹板分为上下腹板进行浇筑，先浇筑下腹板的混凝土，最后是先浇筑底板加厚混凝土。

在对于合龙之后的劲性骨架进行分析之后，在上述3 种情况下，包括稳定安全系数下的一阶失稳模式，对于相应的分析结果进行研究可以发现，在进行合龙之后先浇筑钢管当中的混凝土，对于最终的拱圈的稳定性所造成的影响是最小的，而如果我们先浇筑底板加厚混凝土的话，整体的稳定性受到了非常大的影响，所以在进行浇筑的时候，应该选择先浇筑钢管内的混凝土。

7.2 不同工况下的稳定性和安全性

第二阶段，先浇筑钢管内的混凝土，然后加厚腹板和底板。根据这个顺序，可以分为以下施工步骤：劲性骨架合龙→钢管内浇筑混凝土→下腹板上浇筑混凝土→上腹板浇筑混凝土→底板浇筑加厚混凝土→顶板浇筑混凝土。

拱脚劲性骨架出现局部失稳，是二级混凝土在进行浇筑完成之前结构的最为重要的一个失稳模态，通过结构稳定安全系数包括失稳模态的具体结果进行相应的分析，可以发现当劲性骨架在合龙之后，整体的安全系数已经提升到了25.2，而且不稳定模式的主要表现是其整体平面内垂直弯曲不稳定，最难施工的部位出现在混凝土腹板上部，其安全系数只有15.4。由于新浇混凝土不提供相应的刚度，拱圈部分超载，当新浇混凝土达到周期龄期时，就能够提供有效的强度，在这个时候结构的稳定性也会得到相应的提升。所以说需要特别注意的一点就在于混凝土的浇筑顺序包括其具体的浇注量，从其他的工况的失稳模态进行分析就能够发现混凝土随着拱环的顶部和底部变厚，结构的稳定安全系数均大于浇筑腹板时的稳定安全系数。

7.3 成桥阶段稳定性

劲性骨架的主拱圈选择利用的是板单元以及梁单元之间的融合，立柱包括T 梁选择使用的是梁单元，其中，拱圈内钢笼包含拱顶空心截面结构，无法进行模拟的结构则选择使用的是外部荷载加载，拱圈的顶部桥面选择利用的是虚拟桥面来对其进行模拟，这样更加方便于二期恒载包括汽车荷载方面的加载。在分析MIDAS/Civil 软件结构时，不允许同时进行屈曲分析和移动载荷分析。所以在进行分析的过程当中，必须要通过等效的办法，以最不利的方式将移动荷载以静态方式施加到模型上，以形成确定性荷载矩阵进行分析。

活荷载要注意以下工况。①结构自重+次自重（仅限主拱环）。②结构自重+次自重（包括拱形建筑）。③最不利条件为结构自重+次自重+拱脚截面弯矩。④结构自重+第二期自重+1/8 截面弯矩最难施工的情况。⑤结构自重+二期自重+1/4 最难施工的截面弯矩。⑥结构自重+次自重+最难施工截面弯矩的3/4。⑦结构自重+次自重+拱段弯矩最难施工的情况。

通过对刚性骨架主拱圈在恒载和活载作用下的稳定安全系数和失稳模式结果的分析，可以看出，在不同工况下，一阶稳定安全系数都在4 以上，达到《公路钢管混凝土拱桥设计规范》的要求，并且该结构状态安全、稳定。分析二期混凝土在两种不同情况下是否提供刚度：①当拱上建筑跟主拱圈并没有进行同时施工的时候，主拱圈只增加了一些附加荷载，拱圈的稳定系数为23.77，表明其失稳模式属于面内失稳。②当建筑物与主拱圈同时工作时，在这个时候拱圈的稳定安全系数是21.18，仍然属于面内失稳，由此便可以看出，拱上建筑其实是削弱了整体结构的稳定性的，其数值的变化量是2.59，而在考虑到活载所产生的作用的条件下，在工作②状态下，结构稳定系数最低，也就是拱脚截面弯距最为不利的条件，在这个时候稳定安全系数是19.57，通过跟工况①进行对比，可以发现活载对于结构的最终稳定系数也会产生很大的影响。

8 结语

通过针对于转体施工阶段的自重荷载稳定性进行相关的研究，可以发现结构一阶失稳基本上都是以局部失稳所导致的平面内失稳为主的，局部失稳非常容易出现在拱脚加上劲性骨架左右的位置，因此，需要对于拱脚加劲性骨架进行相应的加固。在拱肋合龙之后需要针对于浇筑了的二期混凝土的不同工况的具体稳定性能进行相应的探讨以及分析，最终结果表明，混凝土腹板浇筑阶段对施工条件最为不利，拱圈因为是新浇筑的混凝土，所以并没有真正的形成相应的刚度，导致其局部荷载过大，浇筑腹板混凝土时，需做分层浇筑，施工速度可以适当放慢，当新浇筑的混凝土具有一定的刚度时，才能继续施工。在成桥的阶段对其进行分析时可以发现拱上建筑跟主拱圈联合作用，弱化了主拱圈的稳定性，同时，车辆活载也影响着稳定性，所以在回转施工阶段，包括后期闭合阶段，要不断加强对拱脚关键部位骨架位置的控制，通过不断优化设计，正确的完成施工浇筑过程包括整体构造过程当中的各个环节，能够更好地避免局部出现屈曲的问题。