鋼管混凝土拱橋拱肋混凝土澆筑過程中的穩(wěn)定性分析

李桂玲

(北京中鐵誠業(yè)工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，北京 100055)

1 工程概況

東莞市水道特大橋位于東莞市萬江區(qū)蓮子村，是五環(huán)路(西環(huán))重要工程之一，全長744.84 m，包括主橋、引橋兩部分。主橋為50 m+280 m+50 m三跨中承式鋼管混凝土系桿拱橋，每幅橋設(shè)2片拱肋，主跨拱肋采用鋼管混凝土拱形空間桁架結(jié)構(gòu)，拱肋中距為19.5 m(如圖1所示)。主拱圈截面成雙啞鈴形式以腹管相連，拱肋全高為5.5 m，全寬2.5 m，上、下弦管各為兩根1 000 mm×16 mm的Q345C鋼管，在拱腳第一段則為1 000 mm×18 mm的Q345C鋼管，在上、下弦管兩根并列鋼管間用12 mm厚的Q345C綴板連接，腹管為500 mm×12 mm的Q345C空鋼管，上、下弦管內(nèi)及上根據(jù)設(shè)計圖紙及下綴板間均澆筑50號微膨脹混凝土，腹桿為空心鋼管。

圖1 東莞水道特大橋空間效果

東莞水道特大橋空鋼管拱肋混凝土的澆筑分為圖2所示的7種工況，每部分澆筑采取自兩端拱腳向拱頂一次頂升完畢的方式。各工況中，網(wǎng)格部分為本階段澆筑的混凝土，未凝固;斜線部分為前幾個階段澆筑的混凝土，已凝固。

圖2 拱肋混凝土澆筑工況

2 有限元模型及計算結(jié)果

東莞水道特大橋拱肋合龍后，按照圖2所示的7個工況澆筑拱肋混凝土，以此建立有限元模型，空鋼管合龍松扣后，分階段模擬混凝土的澆筑。弦管、腹管和橫撐仍采用beam4梁單元，纜風(fēng)索采用link10桿單元。

采用ANSYS有限元軟件對上述模型的7個工況進(jìn)行了線彈性和幾何非線性計算，其結(jié)果如表1所示。圖3給出了該橋拱肋混凝土澆筑第6工況的前四階失穩(wěn)模態(tài)(此工況的穩(wěn)定系數(shù)最小)。

表1 7個工況下模型A的一階穩(wěn)定系數(shù)

圖3 混凝土澆筑第六工況前四階失穩(wěn)模態(tài)

3 線彈性穩(wěn)定分析

通過對模型的特征值分析，該橋的第一個工況的一階失穩(wěn)形態(tài)為面內(nèi)失穩(wěn)，面外失穩(wěn)出現(xiàn)在第二階失穩(wěn)形態(tài)，這說明在第一個工況時該橋的面內(nèi)剛度相對較小。而由于拱肋間的橫撐布置較密，兩拱肋間的橫向聯(lián)系較好，拱肋的橫向剛度較大;從工況2開始，一階失穩(wěn)模態(tài)由面內(nèi)轉(zhuǎn)向面外，成為側(cè)傾失穩(wěn)。這說明在混凝土澆筑過程中，隨著混凝土的凝固形成剛度的同時提高了拱肋的面內(nèi)剛度。

4 幾何非線性穩(wěn)定分析

從表1看出，幾何非線性與線彈性穩(wěn)定計算結(jié)果相差在5.3%～7.9%之間。幾何非線性對結(jié)果影響較小的原因是拱肋的剛度很大，在施加荷載作用下拱軸線的改變很小，在前一階段的混凝土凝固后，混凝土形成了剛度，提高了拱肋的穩(wěn)定性，進(jìn)一步降低了幾何非線性的影響。

圖4為拱肋混凝土澆筑工況6的荷載—位移歷程曲線，豎軸表示所施加的荷載系數(shù)，橫軸表示在該荷載作用下所取定拱肋上某節(jié)點的位移。從圖4的曲線上可以看到，曲線起始段較陡，當(dāng)加載系數(shù)達(dá)到臨界值時，在荷載不變的情況下，位移增加迅速，曲線基本與X軸平行，P－u類似一類失穩(wěn)曲線。

圖4 幾何非線性分析的荷載—位移歷程曲線

5 結(jié)束語

根據(jù)本文的研究及相關(guān)文獻(xiàn)，對于此類橋梁線彈性穩(wěn)定系數(shù)與幾何非線性穩(wěn)定系數(shù)計算結(jié)果相差不大，一般在10%之內(nèi)。

其原因主要是目前該類橋在設(shè)計時考慮了較大的結(jié)構(gòu)剛度，在豎向荷載作用下拱軸線的改變很小，并且在前一階段的混凝土凝固后，混凝土形成了剛度，提高了拱肋的穩(wěn)定性，進(jìn)一步降低了幾何非線性對大橋施工穩(wěn)定的影響。

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