大跨度提篮拱桥管内混凝土灌注结构响应研究

基金项目：广西重点研发计划“基于大跨径拱桥施工的智慧工地建设技术研究与应用”（编号：桂科AB20297028）

作者简介：陈世才（1983—），工程师，主要从事桥梁施工管理工作。

文章以世界最大跨公路钢管混凝土提篮拱桥沙尾左江特大桥为工程依托，基于有限元方法，利用MIDAS/Civil软件建立了大桥空间仿真模型，对拱肋混凝土灌注过程中主拱应力、变形及稳定性进行研究。结果表明：确定最优灌注顺序是保证结构后续良好受力的关键，对于钢管而言，上、下弦杆应力差在L/2跨径范围内以L/4截面为中点呈正负交替的形式，且拱脚段上弦杆应力远大于下弦杆，而混凝土应力变化趋势与灌注顺序一致，先灌注的混凝土更先参与协同受力；拱肋偏位产生原因可大致分为两类，主要决定因素为拱肋整体刚度以及混凝土自重大小，但对于全过程而言，混凝土灌注完毕后拱肋偏位最终会回归到0值附近；对于提篮拱桥，拱肋混凝土灌注过程中结构失稳模态均为面外反对称失稳，且一阶稳定系数均较大，这是由提篮拱本身结构特性决定的。

桥梁工程；提篮拱；混凝土灌注；应力；变形；稳定性

U448.22-A-01-001-4

0 引言

钢管混凝土拱桥因其良好结构受力、造型优美、经济性强等优点近年来得到了大力发展［1］。管内混凝土灌注常采用真空辅助施工工艺［2］，混凝土泵送是形成钢-混组合截面的关键性环节，特别是混凝土灌注前期混凝土以湿重作用于空钢管，此时钢-混组合结构并未形成有效强度，结构变形较大且过程偏载严重，为此有必要针对该环节展开详细分析以确保现场实施安全。

目前已有相关学者做过类似研究，王建军等［3］根据ALARP风险可接受准则，对管内混凝土可能出现的事故进行了风险评估；谭中法等［4］依托德余高速公路乌江特大桥，分析了不同混凝土灌注顺序对拱肋弦管内力分配和混凝土应力的影响；赵艺程等［5］为降低管内混凝土灌注施工风险，开展了混凝土顶升灌注工艺试验研究；刘小勇等［6］针对管内混凝土灌注过程结构出现异常振动的现象，详细分析了现象产生原因；曾勇等［7］结合混凝土强度发展情况，探讨了改变管内混凝土灌注顺序对改善拱肋偏位的可行性。

综合上述分析，现有文献研究大多针对平行拱桥开展，而对大跨提篮拱桥灌注过程中结构受力、变形及稳定性鲜有研究。为弥补不足，本文以世界最大跨公路钢管混凝土提篮拱桥沙尾左江特大桥为工程背景，对拱肋混凝土灌注过程中结构响应展开了详细研究，以供同类型桥梁施工借鉴和参考。

1 工程概况

1.1 工程背景

沙尾左江特大桥位于广西崇左市境内，设计为一跨过江形式，主桥为主跨360 m中承式钢管混凝土提篮拱桥，拱肋向桥中轴线内倾10°。主要设计参数：拱轴线系数为1.55、计算跨径为340 m、计算矢高为75 m，拱轴线采用悬链线。

大桥拱肋采用桁式结构，拱肋截面为等宽变高度矩形截面，肋宽3.2 m，拱脚截面和拱顶截面径向高度分别为12 m和7 m。每肋上、下弦均为两根1 200 mm钢管混凝土弦管，壁厚有24 mm、28 mm、32 mm 3种规格，其中缀管尺寸为720×16 mm，竖向腹杆为610×14 mm。拱肋钢材为Q345qc，管内混凝土为C60自密实混凝土。大桥整体布置如图1所示。

1.2 施工灌注方案

随着管内混凝土灌注的进行，拱肋刚度不断变化，受力复杂，先浇筑并凝固的混凝土将在以后的工况中与空钢管协同受力，因此必须在灌注方案明确的情况下进行施工控制分析。沙尾左江特大桥主弦管管内混凝土灌注采用真空辅助施工工艺，以提高施工质量，主弦管内使用C60自密实高性能混凝土。由于该桥单根管内混凝土灌注方量达413.9 m3，拌和站较远，一次性灌注很难完成；同时拱顶较高为减少泵送压力和灌注风险，单根拱肋钢管半跨设2处进浆支管，分二级向拱顶泵送。为了避免灌注时进浆口对管壁的冲击力，在管内部设置一节弯管以缓解冲击，第1级选用规格为45°R1 m的弯管，第2级选用规格为15°R1 m的弯管。具体布置及灌注顺序如下页图2所示。

2 有限元模型

采用桥梁通用有限元程序Midas Civil软件建立大桥管内混凝土灌注仿真分析模型，除吊杆采用桁架单元、桥面板采用板单元模拟外，其余均采用空间梁单元模拟。管内混凝土泵送过程采用程序自带的施工阶段联合截面模拟，其中混凝土强度发展通过定义C60强度发展曲线实现。大桥拱脚固结，拱上立柱盆式支座根据实际刚度以弹性连接模拟。大桥结构离散共计节点数1 548个，单元数2 756个，有限元模型如图3所示。

3 桥梁施工过程分析

3.1 灌注过程中结构应力分析

随着施工的推进，管内混凝土凝固的同时也具备了一定的刚度，后期灌注的混凝土以湿重的方式作用于结构时，前期凝固的混凝土将与拱肋弦杆形成整体结构协同受力。这时对于钢管和混凝土而言，其内部应力储备也随着施工的进行发生变化，因此有必要对拱肋整个动态的灌注过程展开应力分析。整个灌注阶段拱脚截面、L/4截面，拱顶截面拱肋最大组合应力如图4～6所示。

由图4～6可得，随着施工阶段的进行，钢管及管内混凝土应力呈现递增的趋势。在整个管内灌注过程中，钢管压应力最大值出现在8#管拱顶位置，为122.2 MPa，小于Q345钢材容许应力210 MPa；管内混凝土压应力最大值出现在1#管L/4截面位置，为13.7 MPa，满足C60应力限值26.5 MPa，施工阶段材料使用满足现行规范要求。

与此同时，纵观拱脚到拱顶截面，拱脚位置处于最大受力，拱脚截面处钢管下弦应力远大于上弦受力，同时上弦部分钢管出现拉应力；从拱脚段到L/4截面，拱肋上下弦杆应力差趋于小值；从L/4截面到拱顶位置，拱肋上弦杆的应力值大于下弦杆。这是由于拱式结构在荷载作用下，拱顶承受正弯矩，拱脚承受负弯矩，L/4截面为正负弯矩的过渡段，使得该桁架结构在L/2跨范围内，上下弦杆的应力差呈现正负交替形式（如图7所示）。同时不难发现，对于混凝土而言，混凝土的压应力大小与灌注顺序是相对应的，即先灌注的混凝土凝固后将与拱肋弦杆协同受力，随着后续管内混凝土灌注的进行承受更大的压应力。（注：“-”表示下弦杆截面应力大于上弦应力）

为了验证单根钢管不同灌注顺序对结构的影响，下面分别以5#管和7#管为例，给出拱肋各关键截面的应力变化情况，结果如表1和表2所示。

由表1和表2所可得，5#管灌注完毕后，对1#、8#、6#钢管影响较大；7#管灌注完毕后，对2#、6#、8#管影响较大。不难发现，单根钢管混凝土灌注时，对同一侧下弦杆以对侧同一位置处钢管受力影响较大，甚至在拱肋某些位置产生了拉应力，进一步阐明了合理施工顺序的重要性。

3.2 灌注过程中结构线形分析

作为钢管混凝土拱桥，尤其是内倾角度较大的提篮式，其管内混凝土灌注大致可分为两个阶段：（1）混凝土湿重阶段，此时混凝土自重以荷载的形式直接作用于空钢管之上；（2）钢-混组合结构形成阶段，此时混凝土已逐渐形成自身强度，共同与空钢管承担后续混凝土湿载。对于提篮式拱桥，管内混凝土灌注引起拱肋的偏载是不可回避的问题，从力学的角度分析，其影响因素可分为以下两类：

（1）对于特大桥梁而言，考虑混凝土后场的供应，通常选择拱肋逐根灌注的形式，此时对于整个拱肋结构而言，处于偏载作用下，势必会引起上下游拱肋不均匀的弹性压缩，使得拱肋偏向灌注侧，如图8（a）所示。

（2）由于为空间异形结构，拱肋内倾，将灌注部分混凝土自重沿拱肋中轴线分解，具有向对侧倾斜的趋势，如图8（b）所示。

根据上述分析，不难发现两种影响因素对拱肋偏位的影响互为对立关系，对于拱肋整体结构较大且混凝土荷载较小时，前者为主导关系，反之后者为主导关系。

大桥单肋共划分为16个节段，控制点均取阶段交点，鉴于篇幅有限，如下页表3和表4分别给出了1#管灌注和管内混凝土整体灌注完成后L/2跨范围内拱肋线形变化数据。（其中拱肋高差均为下游减上游，横向偏位以上游为正。）

由表3数据可分析得到，1#管灌注完毕，拱肋朝灌注对侧倾斜，体现为第二种因素占主导作用。此时位于L/4截面的4#段上下游高差达到了16.78 mm，且拱顶位置8#段的偏位达到了23.43 mm。由表4可知，管内混凝土灌注完毕，此时拱肋结构处于对称荷载作用下，拱肋横向最大偏位仅为3.82 mm，可基本忽略不计。由此可见，对于管内混凝土整个灌注阶段，拱肋偏位仅为暂时过程数据，随着混凝土灌注的进行，其数值终将回归0值附近。

3.3 灌注过程中结构稳定性分析

作为世界最大跨公路钢管提篮拱桥，管内混凝土灌注过程中的稳定问题较平行拱更为突出，应当引起足够的重视。因此，本文结合拱桥的受力特点，采用有限元理论进行管内混凝土灌注过中一类稳定线性屈曲分析。根据线性屈曲理论，结构在外荷载作用下的特征方程为：

根据管内灌注顺序先后将8根弦杆灌注分为8个施工工况，运用Midas Civil[JP4]软件进行施工过程结构稳定性分析，结果只考虑1阶弹性稳定系数。分析结果如表5所示。

由表5可得，在管内混凝土灌注过程中，大桥在8种荷载工况下的拱肋稳定系数均大于4，且都为面外反对称，满足《公路钢管混凝土拱桥设计规范》（JTGT D65-06-2015）5.9.1条例［8］要求。同时，随着管内混凝土灌注的进行，拱肋稳定系数几乎呈均匀趋势减小，无剧烈突变。8#管内混凝土灌注完毕后，拱肋稳定系数保持在17.27，可见结构纵桥向刚度对结构稳定性的影响要大于横桥向刚度的作用。作为提篮式拱桥.其本身具有较大的横向刚度，因此结构一阶稳定系数较大。

4 结语

本文以世界最大跨公路钢管混凝土提篮拱桥沙尾左江特大桥为工程依托，利用有限元方法详细分析了管内混凝土灌注这一关键环节对拱肋应力、线形及稳定性的影响，得出主要结论如下：

（1）管内混凝土单侧灌注时，对同侧下弦杆以对侧同一位置处钢管受力影响较大，甚至在拱肋某些位置产生了拉应力，因此确定最优的灌注顺序是保证结构后续施工良好受力的关键。

（2）管内混凝土灌注过程中：对于钢管，上下弦杆应力差在L/2跨径范围内成正负交替形式，其中拱脚段上弦杆应力远大于下弦杆受力，施工过程中务必关注拱脚段受力情况；对于混凝土，混凝土的压应力大小与灌注顺序一致，即先灌注的混凝土凝固后将与拱肋弦杆协同参与后续工况的受力，灌注完成后将承受更大的压应力。

（3）拱肋单侧灌注时，拱肋整体刚度和混凝土自重大小决定了拱肋倾斜方向，拱肋刚度小，荷载大结构朝灌注侧倾斜，反之则为相反，但混凝土灌注完毕后拱肋偏位终会回归0值附近。

（4）结构稳定系数在灌注过程中呈均匀趋势减小，且都为面外反对称失稳，其整体一阶系数较大，这是由提篮拱桥本身结构特性决定的。

［1］陈宝春，张梦娇，刘君平，等.我国混凝土拱桥应用现状与展望［J］.福州大学学报（自然科学版），2021，49（5）：716-726.

［2］韩 玉.钢管拱桥管内混凝土真空辅助灌注试验及实桥应用［J］.桥梁建设，2015（2）：19-25.

［3］王建军，谢灿荣，何建乔，等.大跨径钢管混凝土拱桥管内混凝土施工质量分析与评估［J］.公路，2023，68（11）：172-175.

［4］谭中法，许春荣，王志金，等.德余高速公路乌江特大桥拱肋混凝土灌注顺序研究［J］.公路，2023，68（10）：17-20.

［5］赵艺程，牟廷敏，邹 圻，等.大跨径钢管混凝土拱桥管内混凝土顶升灌注工艺试验［J］.公路交通科技，2023，40（3）：115-122.

［6］刘小勇，郝聂冰.特大跨径钢管混凝土拱桥管内混凝土灌注后结构异常振动研究［J］.施工技术，2020，49（11）：44-47.

［7］曾 勇，陈艾荣，顾安邦，等.考虑混凝土收缩徐变影响的大跨径钢管混凝土拱桥灌注顺序的分析［C］.第十七届全国桥梁学术会议论文集（下册），2006.

［8］JTG/T D65-06-2015，公路钢管混凝土拱桥设计规范［S］.