大跨度鋼管混凝土勁性骨架拱橋外包混凝土方案優(yōu)化

張朦朦 張謝東 秦 川

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院十堰分院2) 武漢 430000)

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大跨度鋼管混凝土勁性骨架拱橋外包混凝土方案優(yōu)化

張朦朦1)張謝東1)秦 川2)

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1)武漢 430063) (湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院十堰分院2)武漢 430000)

為提高大跨度鋼管混凝土勁性骨架拱橋外包混凝土施工質(zhì)量，控制施工過程中主拱圈撓度值和已澆筑混凝土不受破壞，以某大跨度鋼管混凝土勁性骨架拱橋?yàn)閷?shí)例，應(yīng)用Midas/Civil有限元分析軟件，對(duì)比6工作面澆筑方案與10工作面澆筑方案的差異及優(yōu)劣.應(yīng)用撓度影響線疊加法和MATLAB軟件編程，對(duì)較合理的方案進(jìn)行優(yōu)化.結(jié)果表明，10工作面澆筑方案在線形上優(yōu)于6工作面澆筑方案，但施工繁瑣、工期長(zhǎng).優(yōu)化后的方案使拱頂撓度變化趨勢(shì)更加平順，且不會(huì)出現(xiàn)正負(fù)交替出現(xiàn)的現(xiàn)象.

橋梁工程；外包混凝土；有限元分析；鋼管混凝土拱橋；撓度影響線

0 引 言

鋼管混凝土勁性骨架拱橋的施工屬于自架設(shè)施工法.在施工前期以鋼管骨架作為承重體系，然后進(jìn)行管內(nèi)混凝土的灌注施工，待到管內(nèi)混凝土達(dá)到強(qiáng)度后形成鋼管混凝土勁性骨架體系，再進(jìn)行拱圈外包混凝土的施工[1].自架設(shè)施工法相比于傳統(tǒng)施工方法具有無需單獨(dú)設(shè)置支架、吊裝工作壓力小、充分利用混凝土自身強(qiáng)度節(jié)約鋼材等優(yōu)點(diǎn)[2]，因而得到廣泛應(yīng)用.

我國大跨度勁性骨架拱橋拱圈外包混凝土常采用分環(huán)分段的施工方法，由于拱箱自身的構(gòu)造特點(diǎn)不難做到合理地豎向分環(huán)，但是如何合理地縱向分段卻是值得研究的問題.若不能合理的縱向分段，不僅會(huì)增加施工難度，還會(huì)在澆筑過程中使主拱圈出現(xiàn)撓度的正負(fù)反復(fù)變化，易導(dǎo)致已澆筑混凝土開裂[3].重慶萬州長(zhǎng)江大橋拱圈外包混凝土程序設(shè)計(jì)采用2段式、4段式、6段式進(jìn)行對(duì)比擇優(yōu)選用，最終采用6段式澆筑方法[4].張富貴等[5]以昭華嘉陵江大橋?yàn)檠芯繉?duì)象分析對(duì)比了8段式與16段式澆筑方案的優(yōu)劣.Zhou等[6]提出以控制拱頂撓度變形量的方法計(jì)算出合理分段點(diǎn).

1 外包混凝土方案

1.1 橋梁概況

某鋼管混凝土勁性骨架拱橋主橋計(jì)算跨徑370 m，豎直平面內(nèi)矢高83.5 m，矢跨比為1/4.43，拱軸線采用m=3.5的懸鏈線.主拱圈平面呈X形(提籃形)，從拱腳到拱圈分叉處由兩肢單箱單室拱肋組成，拱頂合并為單箱雙室截面.拱圈由鋼管混凝土勁性骨架外包C55混凝土構(gòu)成，拱肋勁性骨架材質(zhì)采用Q390C鋼材，管內(nèi)灌注自密實(shí)無收縮C60混凝土.拱上橋面系采用跨徑組成為4×38 m+3×38 m+4×38 m的3聯(lián)箱型鋼-混連續(xù)結(jié)合梁，梁高為等高3.4 m.橋上線路為鐵路雙線，線間距為5.0 m，設(shè)計(jì)車速為200 km/h.總體布置見圖1.

1.2 澆筑方案

施工待到勁性骨架拱橋內(nèi)注混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，進(jìn)行外包混凝土澆筑，采用“多點(diǎn)均衡澆筑”的澆筑方法.縱向分段共提出2種方案供比選，方案一為全橋縱向分為6個(gè)工作面，第一工作面分為6個(gè)工作段，第二、三工作面分為5個(gè)工作段；方案二為全橋縱向分為10個(gè)工作面，第一工作面分為4個(gè)工作段，第二、三、四工作面分為8個(gè)工作段，第五工作面分為9個(gè)工作段.豎向分為三環(huán)“先底板，再腹板，最后頂板”的澆筑方式，兩岸對(duì)稱施工，直至合龍.方案一與方案二分段見圖2，澆筑順序見表1.

圖1 大橋總體布置圖(單位：m)

圖2 方案一與方案二分段示意圖

工況方案一澆筑順序工況方案二澆筑順序1對(duì)稱澆筑A1,B1,C1段底板1對(duì)稱澆筑A1,B1,C1,D1,E1段底板2 對(duì)稱澆筑A2,B2,C2段底板,A1,B1,C1段底板參與受力2 對(duì)稱澆筑A2,B2,C2,D2,E2段底板,A1,B1,C1,D1,E1段底板參與受力3～5澆筑順序與工況2類似,以此類推,直至底板合龍3～4澆筑順序與工況2類似,以此類推6～15腹板與頂板施工順序與底板相同,直至合龍5對(duì)稱澆筑B5,C5,D5,E5段底板,B4,C4,D4,E4段底板參與受力6～8澆筑順序與工況5類似,以此類推9對(duì)稱澆筑E9段底板,底板合龍10～27腹板與頂板施工順序與底板相同,直至合龍

1.3 有限元計(jì)算結(jié)果

采用結(jié)構(gòu)有限元軟件Midas/Civil建立大橋全橋空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型.鋼管混凝土勁性骨架采用梁?jiǎn)卧M，外包混凝土采用板單元模擬，全橋共1 602個(gè)節(jié)點(diǎn)，4 556個(gè)單元，其中梁?jiǎn)卧? 647個(gè)，板單元909個(gè).鋼筋混凝土截面采用組合截面形式，外包混凝土采用等面積法換算成板單元.模型見圖3.

圖3 有限元模型

將表1中的澆筑方案定義成模型里的施工階段進(jìn)行運(yùn)算，得到在每一個(gè)工況下全橋的撓度變化，見圖4～5.

圖4 方案一施工過程中截面撓度變化趨勢(shì)圖

圖5 方案二施工過程中截面撓度變化趨勢(shì)圖

由圖4～5可知，方案一與方案二澆筑過程中，1/8，1/4，3/8截面處的撓度趨勢(shì)大體相同，無太大區(qū)別；跨中處撓度曲線都呈現(xiàn)波浪形，但是方案一中撓度正負(fù)變化要多于方案二，從此方面看出10工作面澆筑方案要優(yōu)于6工作面澆筑方案.但是，在實(shí)際施工當(dāng)中，6工作面的澆筑方案在工期、繁瑣程度以及人力投入上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于10工作面的澆筑方案，且2個(gè)方案中跨中撓度正負(fù)變化值，以及最終撓度值都相接近.因此，經(jīng)過綜合考慮，決定采用6工作面的澆筑方案.為解決拱頂處撓度正負(fù)變化的現(xiàn)象，對(duì)6工作面澆筑方式進(jìn)行優(yōu)化.

2 外包混凝土澆筑優(yōu)化

2.1 撓度影響線疊加法

采取撓度影響線疊加法進(jìn)行澆筑方案的優(yōu)化.使用有限元軟件進(jìn)行模擬得到主拱圈的撓度影響線，同種線形的拱上個(gè)位置撓度影響線值的相互比例相同，因此可以擬合得到撓度影響線的函數(shù)解析式.對(duì)每個(gè)工況組合進(jìn)行撓度影響線積分疊加，使撓度為負(fù)，得到的澆筑方案可以保證在外包混凝土施工過程中撓度方向向下，不會(huì)出現(xiàn)正負(fù)變化.

圖6為1/8，1/4，3/8，拱頂截面的撓度影響線，由于外包混凝土施工之前拱腳先澆段已經(jīng)完成，因此撓度影響線的范圍為拱腳先澆段之間部分.

圖6 相關(guān)截面的撓度影響線圖形

由圖6可知，1/8，1/4，3/8截面的撓度影響線大體成反對(duì)稱形狀，在使用多點(diǎn)均衡澆筑法進(jìn)行對(duì)稱澆筑時(shí)，可以明顯改善1/8，1/4和3/8截面處的撓度變形.而拱頂截面撓度影響線為正對(duì)稱圖形，對(duì)稱澆筑則會(huì)加劇拱頂截面的撓度變形，因此，需要優(yōu)化澆筑方案對(duì)拱頂撓度變形進(jìn)行改善.

運(yùn)用大型數(shù)學(xué)軟件MATLAB的非線性曲線擬合功能[7]，對(duì)拱頂撓度影響線進(jìn)行擬合得到其函數(shù)解析式為8次多項(xiàng)式.

(1)

式中：p1=-0.000 831 2；p2=-7.808×10-10；p3=0.007 348；p4=1.688×10-8；p5=-0.023 67；p6=-5.235×10-8；p7=0.030 92；p8=3.413×10-8；p9=-0.010 38.

擬合圖形見圖7，其中R=0.998 6，擬合結(jié)果真實(shí)可靠.

圖7 拱頂撓度影響線擬合圖形

則該截面實(shí)際撓度值為

(2)

假設(shè)施工中將主拱圈分為n個(gè)工作面進(jìn)行澆筑，則ai，bi(i=1,2,…,n)為某一工況下各澆筑段起止位置x坐標(biāo)，則該工況下截面的撓度值為

(3)

文中勁性骨架拱橋外包混凝土施工將主拱圈分為6個(gè)工作面進(jìn)行澆筑，將運(yùn)算方法進(jìn)行編程，運(yùn)用MATLAB循環(huán)語句功能，使得撓度值恒小于零，便可得到優(yōu)化后施工方案使得跨中截面始終處于下降狀態(tài)，不會(huì)出現(xiàn)撓度正負(fù)變化.

2.2 計(jì)算結(jié)果

通過計(jì)算的到新的分段方式和澆筑順序，因此在澆筑腹板時(shí)改變分段方式，將第3工作面等分為6個(gè)工作段，且適當(dāng)減小A1底板的長(zhǎng)度，增大C1底板的長(zhǎng)度，澆筑方案見表2.

將優(yōu)化后的澆筑方案定義進(jìn)行有限元計(jì)算，提取每個(gè)施工工況下拱頂截面的撓度值見圖8.

圖8 優(yōu)化后方案拱頂撓度值

由圖8可見，在主拱圈外包混凝土過程中拱頂截面處一直處于下?lián)蠣顟B(tài)，且線形變化平順.

表2 外包混凝土優(yōu)化方案澆筑順序

4 結(jié) 論

1) 大跨徑勁性骨架拱橋外包混凝土澆筑方案中，10工作面澆筑方式在線形上優(yōu)于6工作面澆筑方式.特別是拱頂截面，正負(fù)撓度反復(fù)出現(xiàn)的次數(shù)少，且線形相對(duì)平滑.

2) 采用多點(diǎn)均衡澆筑方式施工時(shí)，改變分段長(zhǎng)度和澆筑順序?qū)?/8，1/4，3/8等截面的撓度變化影響較小.其撓度影響線接近于反對(duì)稱形式，對(duì)稱澆筑能改善撓度值曲線.

3) 通過改變分段長(zhǎng)度和澆筑順序，可以使拱頂撓度變化值恒小于零，且撓度值曲線變得平順，避免了撓度正負(fù)變化，有利于結(jié)構(gòu)受力和已澆筑混凝土的保護(hù).

4) 由優(yōu)化后的拱頂撓度值可以看出，雖然優(yōu)化方案改善了拱頂截面的撓度變化趨勢(shì)，但是也增大了最終撓度值.

[1]顧安邦.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2012.

[2]鄭皆連.在勁性拱骨架上實(shí)現(xiàn)混凝土連續(xù)澆筑的探討[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，30(增刊2):1099-1105.

[3]黃澤權(quán)，梅蓋偉，楊興.拱橋有支架施工加載程序優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009,28(1):23-25.

[4]楊峰.大跨勁性骨架混凝土拱橋外包混凝土澆筑分段研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2013.

[5]張富貴，張永水，董義，等.大跨勁性骨架拱圈外包混凝土澆筑方案[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2012,31(2)：210-214.

[6]ZHOU S X, ZHANG M, LIU B, et al. Determination of cast-in situ section lengths of reinforced concrete arch bridge in arch centering method[J]. Advanced Materials Research,2011,1269(243)：1935-1940.

[7]唐家德.基于MATLAB的非線性曲線擬合[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2008(6)：15-19.

Outsourcing Concrete Pouring Scheme Optimization of Large Span CFST Stiff-skeleton Arch Bridge

ZHANG Mengmeng1)ZHANG Xiedong1)QIN Chuan2)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(ShiyanBranch,HubeiCommunicationsPlanning&DesignInstitute,Wuhan430000,China)2)

In order to improve the outsourcing concrete pouring construction quality for large span CFST Stiff-skeleton arch bridge and control the deflection of the main arch ring in the construction process, this paper analyzes and compares the model with six construction sections and model with ten construction sections by using Midas/Civil finite element analysis software. The outsourcing concrete pouring scheme is then optimized by the superposition method of the deflection influence line and MATLAB programming. The results show that the ten construction sections pouring scheme is better than the six construction sections pouring scheme in terms of lines, but more troublesome in construction. Besides, the construction period of the ten sections pouring scheme is much longer than that of the six sections pouring scheme. The optimized pouring scheme enables the deflection of vault smoother such that the positive and negative alternating of the deflection would not occur.

bridge engineering; outsourcing concrete; finite element analysis; CFST arch bridge; deflection influence line

2016-80-20

U448.22 doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.05.023

張朦朦(1990- )：男，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)闃蛄航Y(jié)構(gòu)分析與施工控制