中承式鋼管混凝土拱橋拱肋管內混凝土灌注過程分析

關敬文，王楚杰

(廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530011)

0 引言

鋼管混凝土拱橋具有強度高、質量輕、耐疲勞、抗沖擊等性能[1][2]，因而受到越來越多的國內外學者的青睞。該橋型一般利用斜拉扣掛法進行施工，并采用真空輔助灌注[3]，該方法施工簡便、費用較少，大大縮短了施工周期，能有效解決鋼管混凝土的脫空問題，因而具有較廣闊的應用空間和較高的研究價值。

管內灌注施工過程為：首先將主拱圈進行節段劃分，隨后預制主拱圈鋼管節段，通過兩岸預先架設的塔架進行主拱圈節段吊裝，待鋼管合龍之后，進行管內混凝土的灌注工序。在此過程中，混凝土未成型之前為流體狀態，不能給結構提供任何剛度，同時又作為施工荷載施加于結構上，使結構安全儲備大大降低，并且由于拱肋結構的受力特點，在逐步施加施工荷載的過程中，會伴隨出現主拱圈上撓的情況，進一步擴大結構風險。因此，對這一過程展開研究是十分必要且有意義的，近年亦有不少學者開展相關研究：

在文獻[2]，馮偉以香火巖特大橋作為工程依托，采用Midas Civil有限元分析軟件進行拱肋管內混凝土灌注過程模擬；余強[4]采用ANSYS軟件建立空間計算模型，同樣對香火巖特大橋管內混凝土灌注過程拉應力進行研究并提出調整方案；顧箭峰[5]建立有限元模型后，著重討論管內混凝土灌注次序對全橋線型、應力的影響。

上述文獻皆對拱肋管內混凝土灌注過程的研究作出卓越貢獻，本文欲針對該過程采用更細致的節段劃分形式，圍繞灌注過程關鍵控制截面的撓度、應力變化開展研究工作。

1 工程背景

本文以某中承式鋼管混凝土拱橋作為算例開展研究。該橋主橋長336 m，計算跨徑L=320 m，矢高80 m，矢跨比1/4，拱軸線為懸鏈線形式，共軸系數m=1.167，橫橋向中心間距23.9 m。

拱肋采用變高度桁架形式，拱頂截面高為7 m，拱腳高為12 m，拱肋直徑1.2 m，壁厚22～23 mm；腹管直徑為0.61 m，壁厚16 mm；橫向綴管直徑0.813 m，壁厚20 mm；小橫管直徑0.35 m，壁厚10mm；橫撐直徑0.711 m、0.508 m，壁厚皆為16 mm。管內采用C55微膨脹混凝土澆筑。

圖1 某橋總體布置圖(單位：cm)

2 施工節段劃分

拱肋混凝土灌注采用頂升壓注施工工藝，其灌注過程遵循：左右半拱同時施工、對稱加載、上下游交替灌注的原則進行施工。兩肋共 8 根鋼管依序逐一灌注，每根鋼管內混凝土從兩岸一次性對稱澆注成形。對于管內混凝土而言，整個施工過程經歷未灌注、灌注未成型、灌注后成型三種狀態，故本文將這三種狀態作為切入點，選取拱腳、L/8、L/4、3L/8以及拱頂等關鍵控制截面進行研究。灌注方法及順序如圖2、圖3所示。

圖2 拱肋灌注示意圖

圖3 拱肋灌注順序圖

基于上述實際的灌注過程，出于便于模擬的目的，將有限元模型做出如下簡化：單根拱肋劃分為12個節段，節段內的混凝土視為同一時間澆筑，即同時施加施工荷載進行計算；單根拱肋管內混凝土視為同一時間成型，共計57個模擬施工步驟。主弦桿管節段劃分如圖4所示，施工階段如表1所示。

圖4 拱肋灌注分節示意圖(單位：m)

工序序號施工步驟工序序號施工步驟1拱肋鋼管架設完畢30澆筑5#鋼管第1節段2澆筑1#鋼管第1節段31澆筑5#鋼管第2節段3澆筑1#鋼管第2節段32澆筑5#鋼管第3節段4澆筑1#鋼管第3節段33澆筑5#鋼管第4節段5澆筑1#鋼管第4節段34澆筑5#鋼管第5節段6澆筑1#鋼管第5節段35澆筑5#鋼管第6節段7澆筑1#鋼管第6節段365#鋼管管內混凝土成型81#鋼管管內混凝土成型37澆筑6#鋼管第1節段9澆筑2#鋼管第1節段38澆筑6#鋼管第2節段10澆筑2#鋼管第2節段39澆筑6#鋼管第3節段11澆筑2#鋼管第3節段40澆筑6#鋼管第4節段12澆筑2#鋼管第4節段41澆筑6#鋼管第5節段13澆筑2#鋼管第5節段42澆筑6#鋼管第6節段14澆筑2#鋼管第6節段436#鋼管管內混凝土成型152#鋼管管內混凝土成型44澆筑7#鋼管第1節段16澆筑3#鋼管第1節段45澆筑7#鋼管第2節段17澆筑3#鋼管第2節段46澆筑7#鋼管第3節段18澆筑3#鋼管第3節段47澆筑7#鋼管第4節段19澆筑3#鋼管第4節段48澆筑7#鋼管第5節段20澆筑3#鋼管第5節段49澆筑7#鋼管第6節段21澆筑3#鋼管第6節段507#鋼管管內混凝土成型223#鋼管管內混凝土成型51澆筑8#鋼管第1節段23澆筑4#鋼管第1節段52澆筑8#鋼管第2節段24澆筑4#鋼管第2節段53澆筑8#鋼管第3節段25澆筑4#鋼管第3節段54澆筑8#鋼管第4節段26澆筑4#鋼管第4節段55澆筑8#鋼管第5節段27澆筑4#鋼管第5節段56澆筑8#鋼管第6節段28澆筑4#鋼管第6節段578#鋼管管內混凝土成型294#鋼管管內混凝土成型

3 模型建立

3.1 有限元模型介紹

采用大型數值分析模擬軟件ANSYS，建立空間有限元模型進行施工過程分析。本模型共有節點1 804個；單元3 128個，其中包含梁單元3 040個，板單元88個。所有鋼管及管內混凝土用beam188單元模擬，將各桿件的連接端點作為單元劃分節點，主弦桿單元平均長度為4.0 m、腹桿長度為3.0 m、小橫管長度為1.8 m；拱腳處綴板采用shell63單元模擬，板單元節點亦隨桿件分割點而定。定義縱橋向為x軸，豎橋向為y軸，橫橋向為z軸。有限元模型如圖5所示。

圖5 有限元模型圖

拱肋作為復合材料采用雙單元方法模擬[6]，即對于同一節段拱肋，采用兩段重合的梁單元分別模擬外包鋼管和管內混凝土，隨后根據實際尺寸賦予各自相應的截面屬性，最后通過合并節段兩端節點，使兩種梁單元共享邊界條件，一同參與結構受力。

3.2 施工過程模擬

針對混凝土未澆筑、澆筑未成型、澆筑后成型三種狀態的力學屬性，使用ANSYS軟件中單元生死技術進行施工過程模擬。首先“殺死”所有管內混凝土單元；當進行澆筑管內時，計算該節段混凝土自重，而后將自重轉化為節點荷載施加至結構之上；待管內混凝土成型，刪除上述節點荷載，并“激活”管內混凝土單元。

為扣除空鋼管初應力影響，采用工況疊加的方法解決。首先將拱肋吊裝完成作為第一時步計算受力，在之后的時步計算完成后扣除第一時步結果，最終得出該階段管內灌注混凝土灌注對結構撓度、應力的影響。

3.3 邊界條件定義

拱腳處皆采用固結的形式，結構中所有梁單元的連接采用剛性連接，傳遞彎矩與軸力。

4 結果提取及分析

4.1 各控制點撓度

表2 灌注過程撓度數值表

圖6 灌注過程撓度曲線圖

如表2和圖6所示。在灌注過程中拱肋各關鍵控制點的撓度變化呈現循環性，并且在初期撓度變化波動較大，隨著工序的推進，波動趨于平穩。究其原因，是由于在灌注初期，拱肋大多為空鋼管，而所灌注之混凝土亦未成型達到強度，因而導致總體結構剛度較小，撓度波動較大；然而到灌注后期，之前灌注的混凝土已然成型，結構剛度得到加強，故而波動趨于平穩。

圖7 拱頂撓度影響曲線圖

由圖7可知，曲線在第一循環內波動最大，故以1#鋼管拱頂撓度為例，將移動單位荷載施加至結構之上，并提取各個施工階段拱頂撓度繪制成撓度影響曲線。如圖7所示，橫坐標代表移動荷載至拱腳距離。從拱腳開始，所施加之荷載皆對結構起上撓作用；然而移動至拱腳約80 m附近出現該曲線零點，隨后荷載對結構起下撓作用。由于疊加作用，在L/4附近即出現上撓最大值，該情況亦與撓度曲線相符，管內混凝土灌注過程撓度變化遵循影響線疊加原理。

另外，在此過程中前期上撓約為6 cm，給結構帶來較大風險，需要采取相應調載手段減小拱頂上撓。

4.2 拱腳及拱頂應力

表3 拱腳應力表

圖8 拱腳鋼管應力過程應力曲線圖

對于拱肋截面而言，上弦桿最大應力出現于截面頂部，而下弦桿則出現于截面底部。由于施工階段較多，且變化規律亦呈循環性，因此選取1#管灌注過程做詳細研究，其余施工工況僅提取最大應力值及成型階段應力值。拱腳應力如圖8及表3所示，在不調載的情況下，最終達到約120 MPa。根據《鐵路橋梁鋼結構設計規范》(TB10091-2017)[7]可知：Q345鋼管容許應力為200 MPa，顯然處于規范要求之內。在單根拱肋灌注時，壓應力呈現先增大后減小的趨勢，其原因亦可用應力影響線解釋。如圖8所示，應力影響線同樣在約L/4處出現零點，在此之前數值皆小于零，作出增大拱腳壓應力的貢獻；隨后，伴隨著數值增大，壓應力逐漸減小。

圖9 拱腳應力影響曲線圖

工況下游內側下弦桿拱頂下游外側下弦桿拱頂下游內側上弦桿拱頂下游外側上弦拱頂上游內側下弦桿拱頂上游外側下弦桿拱頂上游內側上弦桿拱頂上游外側上弦拱頂1-1.58-1.531.021.10-0.13-0.210.170.192-8.57-8.515.565.75-0.89-1.090.901.193-24.85-24.8714.5815.21-2.66-3.102.403.324-45.69-46.0522.2923.74-4.64-5.253.665.385-59.57-60.8517.1320.03-5.34-5.773.115.426-38.71-42.75-42.74-44.25-3.751.09-3.74-2.137-31.82-31.86-28.41-30.82-4.08-0.55-3.45-1.0111-32.86-35.11-25.96-27.02-48.85-45.1919.3123.5114-33.77-30.33-29.79-29.04-33.77-30.33-29.79-29.0418-56.82-55.46-11.76-15.80-35.97-29.93-30.09-30.3321-48.95-47.09-50.14-46.81-35.49-29.35-31.03-28.0725-51.19-46.67-50.42-42.09-57.82-50.15-12.72-15.1628-50.33-45.81-51.32-46.47-67.12-60.52-61.06-59.3932-74.05-68.15-45.13-40.99-66.46-61.33-59.99-56.8135-61.57-60.83-60.34-55.10-66.26-60.74-59.85-58.9139-63.27-59.46-61.50-50.71-86.92-80.87-40.69-45.4542-60.90-61.35-59.70-54.97-76.00-59.86-65.51-64.2146-78.43-74.13-51.56-44.51-73.49-77.27-63.00-63.9249-68.82-68.70-67.62-67.54-75.36-74.83-65.02-64.2853-68.46-69.96-67.84-65.77-87.79-85.92-44.34-44.8256-68.27-68.54-67.20-67.81-81.90-80.65-74.41-77.99

如表4及圖9所示，拱頂應力變化則與拱腳相反，呈現先減小后增大的趨勢，其應力影響線與撓度影響線相似。

5 結語

經過以上計算分析，本文得出以下結論：

(1)中承式鋼管混凝土拱橋管內混凝土灌注過程中，鋼管拱各控制點的應力變化均處于規范[7]要求內；然而在1#管和2#管灌注時，拱頂上撓達6 cm，給工程帶來較大風險，因此需要使用斜拉扣索進行調載。

(2)拱肋撓度伴隨著工序的進行表現為循環變化。單根拱肋灌注時，自拱腳向L/4處的撓度表現為先上撓后下撓的變化趨勢，然而自L/4向跨中范圍內的撓度變化則與之相反，其過程遵循撓度影響線疊加規律。

(3)拱肋應力伴隨著工序的進行表現為循環變化。在一個循環內，下弦桿的最大壓應力表現為先增大后減小，上弦桿壓應力先減小后增大；就鋼管而言，在所有灌注工序完成后，下弦桿拱腳壓應力大于拱頂，而上弦桿拱腳壓應力小于拱頂；對于鋼管截面而言，上弦桿最大應力出現于截面頂部，下弦桿最大應力出現于截面底部。