大跨度鋼管混凝土拱橋成橋狀態(tài)鋼管應(yīng)力優(yōu)化研究

涂光亞, 袁航

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114)

鋼管混凝土拱橋以其受力性能優(yōu)越、施工簡(jiǎn)便，廣泛應(yīng)用于大跨度橋梁工程中，其施工方法是典型的結(jié)構(gòu)組分不斷增加的自架設(shè)方法，主拱圈的截面是不斷形成的，截面中先施工部分先受力，因此施工加載程序?qū)κ┕み^(guò)程和成橋受力有很大影響。纜索吊裝斜拉扣掛法作為中國(guó)修建大跨度鋼管混凝土拱橋的主要方法之一，其一般是通過(guò)纜索將空鋼管吊裝架設(shè)成拱，再往主拱鋼管內(nèi)灌注混凝土。空鋼管結(jié)構(gòu)往往會(huì)先承受來(lái)自鋼管自身的重量與混凝土的重量，這時(shí)鋼管會(huì)產(chǎn)生初應(yīng)力和初應(yīng)變，影響拱橋在成橋狀態(tài)下鋼管的承載力，使鋼管的屈服階段提前，混凝土的抗壓性能未能得到有效發(fā)揮，截面組合效率降低。因此，成橋狀態(tài)下主拱受力性能的優(yōu)化是大跨度鋼管混凝土拱橋值得研究的課題之一。

目前，不少學(xué)者對(duì)鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行了大量的研究，其中主要包括初應(yīng)力對(duì)鋼管混凝土拱橋承載力的影響研究、鋼管混凝土拱橋拱肋混凝土灌注工序?qū)袄吆统蓸虻挠绊懷芯康?。這些研究側(cè)重于主拱初應(yīng)力的計(jì)算分析以及管內(nèi)混凝土灌注施工工序研究，而對(duì)于是否能通過(guò)新施工工藝來(lái)降低鋼管初應(yīng)力，使大跨度鋼管混凝土拱橋成橋狀態(tài)受力性能得到優(yōu)化的研究卻很少見。該文以貴州大小井特大橋?yàn)楣こ桃劳?，采用有限元軟件Midas/Civil建立有限元計(jì)算模型，模擬在管內(nèi)混凝土灌注完成并達(dá)到強(qiáng)度后，再卸除扣索，后續(xù)工況鋼管與混凝土共同繼續(xù)承受后期荷載，研究此全過(guò)程鋼管和混凝土的應(yīng)力變化規(guī)律。

并將此方案與原施工方案在卸除扣索索力前后，管內(nèi)混凝土灌注階段，后續(xù)荷載下主拱鋼管和混凝土的應(yīng)力變化情況進(jìn)行對(duì)比，得出主拱鋼管和混凝土受力性能的優(yōu)化效果。

1 工程概況

大小井特大橋是一座計(jì)算跨徑為450 m的上承式鋼管混凝土變截面桁架拱橋，采用懸鏈線作為該橋的拱軸線，拱軸線系數(shù)m=1.55，矢高h(yuǎn)=100 m，矢跨比f(wàn)=1/4.5。主拱圈采用等寬變高空間桁架結(jié)構(gòu)，拱腳截面高14 m，拱頂截面高8 m，分為左、右兩幅，中心距為16 m。拱肋外徑1 360 mm，拱肋上弦管壁厚依次取35、28、32 mm；拱肋下弦管壁厚依次取35、32、28 mm。鋼管拱肋采用內(nèi)法蘭盤栓接和管外焊接的形式進(jìn)行對(duì)接。橋面系采用鋼-混疊合梁，跨徑為31.6 m，順橋每3.95 m設(shè)置一道鋼橫梁。橋面板寬12.24 m，懸臂長(zhǎng)度2.87 m。大小井特大橋立面布置如圖1所示。

主拱圈施工方法為纜索吊裝斜拉扣掛法施工，單幅主拱圈對(duì)稱分為28個(gè)吊裝節(jié)段,1個(gè)合龍段,整個(gè)主拱圈共分為58個(gè)節(jié)段，節(jié)段的最大吊裝重量約為160 t。先從第1拱段吊裝至第6拱段，拱腳設(shè)完全鉸，待第6拱段吊裝完成后，采用混凝土后澆層將拱腳封固，將鉸接變成固結(jié)。原橋施工方案在主拱合龍后逐級(jí)松扣索，將扣索索力轉(zhuǎn)換為拱的推力，使空鋼管拱圈呈自重作用下的無(wú)鉸拱狀態(tài)。而新方案則繼續(xù)張拉扣索，到管內(nèi)混凝土灌注完成并到達(dá)強(qiáng)度之后，再松扣索。

圖1 大小井特大橋立面布置圖(單位：cm)

2 計(jì)算模型

根據(jù)大小井特大橋工程實(shí)際，采用有限元軟件Midas/Civil，建立模擬仿真計(jì)算分析模型。主拱圈拱腳處綴板采用板單元模擬，扣索采用桁架單元模擬，其余構(gòu)件均采用梁?jiǎn)卧M。其中主拱圈上下弦管和管內(nèi)混凝土采用共節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧M，立柱采用施工階段聯(lián)合截面進(jìn)行模擬。邊界條件為主拱圈鋼管拱腳、扣索錨點(diǎn)固結(jié)。整個(gè)Midas模型有4 392個(gè)節(jié)點(diǎn)，112個(gè)受拉單元，8 104個(gè)梁?jiǎn)卧?4個(gè)板單元。

3 計(jì)算分析

3.1 計(jì)算工況

主要考慮原施工方案下的成橋恒載狀態(tài)以及后拆扣索方案下的成橋恒載狀態(tài)。

3.2 計(jì)算步驟

① 按照大小井特大橋原有施工方案，利用Midas計(jì)算主拱在成橋狀態(tài)下鋼管和混凝土的應(yīng)力；② 按照后拆除扣索方案，利用Midas計(jì)算主拱在成橋狀態(tài)下鋼管和混凝土的應(yīng)力；③ 將步驟①與步驟②所求得的應(yīng)力值相減，得到其成橋狀態(tài)下主拱應(yīng)力變化情況；④ 利用Midas計(jì)算兩種方案各自在拆除扣索之后的主拱豎向位移變化情況；⑤ 利用Midas計(jì)算分析出兩種方案各自在拆除扣索之前的扣索索力值，再進(jìn)行差值比較。

3.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上計(jì)算步驟，通過(guò)Midas建模計(jì)算分析最得到原方案成橋狀態(tài)下主拱的應(yīng)力與后拆扣索工藝下主拱的應(yīng)力比較見表2，主拱拱肋成橋狀態(tài)下混凝土上下弦應(yīng)力計(jì)算結(jié)果比較見表3。

表2 原方案與后拆扣索成橋狀態(tài)下拱肋鋼管上下弦應(yīng)力比較 MPa

由表2可知：采用后拆扣索方案，成橋狀態(tài)上下弦鋼管應(yīng)力整體降低，拱頂截面上弦降低12.4 MPa，下弦降低18.3 MPa；拱腳截面下弦應(yīng)力降低9.8 MPa，上弦應(yīng)力略有增加為6.2 MPa；全拱最大應(yīng)力由201.2 MPa降低至191.4 MPa。上弦應(yīng)力變化規(guī)律為拱腳位置至L/8處應(yīng)力略有增加，L/8位置至拱頂處應(yīng)力普遍降低；下弦應(yīng)力變化規(guī)律為拱腳、拱頂附近應(yīng)力降低，L/4截面附近應(yīng)力基本不變?？偟膩?lái)說(shuō)，拱頂截面鋼管上、下弦應(yīng)力均有較大程度降低，拱腳截面下弦應(yīng)力降低，上弦應(yīng)力略有增加，但全拱最大應(yīng)力降低了，結(jié)構(gòu)安全性有一定提高。

表3 原方案與后拆扣索成橋狀態(tài)下拱肋混凝土上下弦應(yīng)力比較 MPa

由表3可知：采用后拆扣索工藝，成橋狀態(tài)上下弦混凝土應(yīng)力整體有一定的增加，拱頂截面上弦增加0.9 MPa，下弦增加1.7 MPa；拱腳截面下弦應(yīng)力增加1.8 MPa，上弦應(yīng)力降低1.2 MPa；全拱最大應(yīng)力由11.2 MPa升高至13.0 MPa。上弦應(yīng)力變化規(guī)律為拱腳位置至L/8處應(yīng)力略有降低；L/8位置至拱頂應(yīng)力均為增加；下弦應(yīng)力變化規(guī)律為拱頂、拱腳附近應(yīng)力增加；L/4附近應(yīng)力基本不變?？偟膩?lái)說(shuō)，拱頂截面上、下弦混凝土應(yīng)力均有一定增加，拱腳截面下弦應(yīng)力增加，上弦應(yīng)力略有降低，總的應(yīng)力水平略有增加。

采用后拆扣索工藝，空鋼管在成拱之后，管內(nèi)混凝土灌注前、后的主拱豎向位移增量及先拆扣索工藝下與后拆扣索工藝下在管內(nèi)混凝土灌注前、后主拱豎向位移增量差值比較如圖2所示，后拆扣索工藝下各扣索索力值變化如圖3所示。

圖2 管內(nèi)混凝土灌注前、后的主拱豎向位移增量及兩種工藝下主拱豎向位移增量的差值圖

圖3 后拆扣索索力變化差值圖

由圖2可知：采用后拆扣索方案，管內(nèi)混凝土灌注期間主拱豎向位移有一定的變化，最大豎向位移變化量為-126 mm，而且采用后拆扣索方案與采用原方案在管內(nèi)混凝土灌注期間主拱豎向位移變化基本一致；與此同時(shí)由于扣索本身較長(zhǎng)，該豎向位移變化引起的扣索力變化較小(圖3)，除了2號(hào)扣索索力降低了11 kN外，其他扣索索力都略有增加，扣索索力增加值最大不超過(guò)25 kN。由此可見，在混凝土灌注期間保留扣索不會(huì)對(duì)扣索的受力安全產(chǎn)生過(guò)大的影響，也不會(huì)對(duì)扣掛系統(tǒng)產(chǎn)生不可接受的額外負(fù)擔(dān)。

對(duì)于兩種施工方案，拆除扣索工況所引起的主拱豎向位移變化比較如圖4所示。

圖4 主拱豎向位移變化圖

由圖4可知：兩種方案拆除扣索所引起的主拱豎向位移變化規(guī)律基本一致，都是拱頂?shù)奈恢秘Q向位移向上，L/4位置豎向位移向下；但后拆除扣索方案主拱豎向位移變化要小一些，主要是因?yàn)閷?duì)于后拆扣索方案，此時(shí)管內(nèi)混凝土已達(dá)到強(qiáng)度，整個(gè)結(jié)構(gòu)的剛度加大了，所以豎向位移要小一些；但差別并不是很明顯，最大位移差值僅為16 mm。由于拆索時(shí)機(jī)的改變，兩種方案主拱最終的累積位移也會(huì)有所差別，但只要事先給予充分的考慮，通過(guò)制造線形的相應(yīng)改變完全可以使最終成橋線形滿足要求。

4 結(jié)論

(1) 采用后拆扣索方案能在一定程度上降低成橋恒載狀態(tài)鋼管拱肋的整體應(yīng)力水平和最大應(yīng)力，管內(nèi)混凝土的應(yīng)力整體上也會(huì)略有增加?？紤]到鋼管應(yīng)力對(duì)整個(gè)拱橋結(jié)構(gòu)安全起控制作用，因此，采用該方案能在一定程度上提高拱橋結(jié)構(gòu)在恒載狀態(tài)下的受力安全性。

(2) 采用后拆扣索方案，對(duì)成橋恒載狀態(tài)拱頂附近約L/4范圍內(nèi)上、下弦鋼管應(yīng)力改善比較明顯，L/4附近上、下弦鋼管應(yīng)力基本不變，拱腳附近上弦鋼管應(yīng)力略有增加，下弦鋼管應(yīng)力有一定程度減小。

(3) 采用扣索后拆方案在混凝土灌注期間，扣索力會(huì)一定程度的增加，但增量較小，該增量對(duì)扣索和整個(gè)扣掛系統(tǒng)安全性的影響較小，基本可以忽略不計(jì)。