啞鈴形鋼管混凝土拱肋腹腔灌注分析

張耀奎 馬華軍

摘要：啞鈴形拱肋在腹腔混凝土的灌注過程中容易發(fā)生鼓管、甚至爆管等工程事故，本論述以某大跨度連續(xù)梁拱橋為工程背景，對采用一次泵送到頂?shù)墓袄吒骨换炷凉嘧⑦^程，運用大型有限元軟件，通過腹腔無加勁拉板和設(shè)置加勁拉板在不同泵壓下的灌注分析，得到腹板應(yīng)力和位移響應(yīng)關(guān)系，從而尋找3 m高啞鈴形鋼管混凝土拱肋腹腔設(shè)計的最優(yōu)方案。

關(guān)鍵詞：啞鈴形拱肋;鼓管;爆管;有限元分析;加勁拉板

中圖分類號：u448.22 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

鋼管拱肋混凝土的澆筑施工是大跨度連續(xù)梁拱橋拱肋施工的關(guān)鍵步驟之一。早期采用人工澆筑方法，目前均采用泵送頂升法，既高效又通過頂升使混凝土密實而免除振搗。高壓泵送頂升時每次澆筑一根弦管，兩側(cè)對稱同時從拱腳至拱頂進(jìn)行澆筑，且需要足夠的泵壓，但若泵壓控制不當(dāng)，就容易造成中間腹板變形起鼓、嚴(yán)重時甚至?xí)l(fā)生爆管事故，造成重大經(jīng)濟損失。所以要使拱肋腹板在混凝土初凝時間內(nèi)一次泵送到頂這個過程中，不發(fā)生變形起鼓，甚至爆管事故就需要在腹腔設(shè)計時采取構(gòu)造措施。

文獻(xiàn)[1]對鋼管混凝土拱橋鋼管開裂事故進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)腹腔泵壓為0.9 MPa時腹板與上弦管交接處產(chǎn)生的局部應(yīng)力已經(jīng)遠(yuǎn)大于Q345鋼的屈服強度，而發(fā)生爆管事故，且其腹腔所能承受的最大泵壓應(yīng)為0.228 MPa，為防止爆管采用分倉人工澆筑腹腔混凝土。文獻(xiàn)[2]對啞鈴形截面灌注時的應(yīng)力分析后提出，先灌兩管再灌腹腔為最安全的灌注方式，且腹腔內(nèi)灌注混凝時，為預(yù)防爆管事故的發(fā)生應(yīng)設(shè)置加勁拉桿或型鋼加勁。文獻(xiàn)[3]針對某工程鋼管混凝土爆管事故分析得出腹腔灌混凝土?xí)r，腹板與鋼管交接處將產(chǎn)生很大應(yīng)力，應(yīng)在腹腔增設(shè)拉桿予以錨固。文獻(xiàn)[4]利用ABAQUS軟件分析了系桿拱吊桿錨杯口撕裂灌注事故，得出焊縫質(zhì)量缺陷和方形錨杯口設(shè)置是導(dǎo)致鋼板撕裂的主要原因。文獻(xiàn)[5]提出對鋼管混凝土鼓管防治措施應(yīng)從材料、構(gòu)造施工工藝三方面綜合考慮。通過以上研究可以分析出鋼管混凝土腹腔灌注是其拱肋施工的薄弱環(huán)節(jié)，為有效防止鼓管事故發(fā)生，就必須對腹腔設(shè)計采取構(gòu)造措施，本論述以某大跨度連續(xù)連拱橋的為背景，通過理論計算分析，提出具體的預(yù)防性設(shè)計措施。

1不設(shè)加勁拉板腹腔混凝土灌注分析

1.1工程概況

某大跨度連續(xù)梁拱橋，主橋采用72+128+72 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁與中孔鋼管混凝土加勁拱組合結(jié)構(gòu)體系。拱軸線采用二次拋物線，中孔跨度128 m，矢高21.333 m，矢跨比1/6。拱肋采用啞鈴型鋼管混凝土截面。鋼管直徑1.0m，拱肋全高3 m，腹板寬0.6 m，拱腳局部加寬到1.0m，上下鋼管及腹腔內(nèi)灌注補償收縮混凝土，兩榀拱肋中心距12.8 m，吊桿間距6.0m，中跨共設(shè)18對吊桿，每側(cè)18根。全橋共設(shè)3道一字形撐和4道K形撐。其橋梁上部結(jié)構(gòu)立面圖和平面圖如圖1所示，拱肋截面圖如圖2所示。

1.2建立有限元模型

按照施工順序，當(dāng)上下鋼管混凝土達(dá)到設(shè)計強度之后，開始灌注腹腔混凝土，但為探究拱肋截面高度對腹板外鼓變形的影響，選取拱肋1 000mm長節(jié)段，采用ABAQUS有限元軟件建立兩個實體模型如圖3、圖4所示。其中圖3為該橋拱肋實際模型，拱肋全高3 000mm，腹板高1 194 mm，圖4為某80m下承式系桿拱拱肋模型，拱肋全高2 500mm，腹板高700mm，上下鋼管直徑厚度與模型一相同。

鋼管拱肋和泵送混凝土的材料參數(shù)以及拱肋分析的基本假定如下。

1.2.1材料屬性

拱肋鋼管及腹腔灌注C55補償收縮混凝土，彈性模量為3.6010t MPa，泊松比為0.2。拱肋鋼管為Q345qD型鋼材，厚度為1.6 cm，屈服強度為345 MPa，彈性模量為2.06'105MPa，泊松比為0.3。

1.2.2基本假定

小變形，不考慮材料非線性并且不考慮混凝土與拱肋鋼管之間的相對滑移，以及混凝土自重對拱肋鋼管的壓力影響。

1.3無拉板腹腔灌注有限元分析

分別對模型一和模型二進(jìn)行不同泵壓下的灌注分析，其最大應(yīng)力變化趨勢如圖5所示。在應(yīng)力分析中對于鋼材這種延性較好的材料，可采用第四強度理論，即Mises屈服準(zhǔn)則進(jìn)行判斷。由圖5可以看出相同泵壓下模型一的最大應(yīng)力明顯大于模型二的最大應(yīng)力，如圖c點所示，當(dāng)泵壓為0.58 MPa時，模型一的最大應(yīng)力為1100MPa，模型二的最大應(yīng)力為345 MPa，顯然模型一的應(yīng)力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了Q345鋼的屈服強度。

當(dāng)模型一和模型二腹板最大應(yīng)力達(dá)到鋼材屈服強度時，其所對應(yīng)的泵壓如圖A、B點所示，模型一為0.16 MPa，模型二為0.58 MPa，此時A、B點的應(yīng)力和位移云圖如圖6、圖7所示，從應(yīng)力云圖可以看到在腹板與鋼管焊接處出現(xiàn)最大應(yīng)力，此位置也是最容易發(fā)生爆管開裂的地方;從位移云圖可以看出腹板中部變形最大，模型一為10.2 mm，模型二為3.73 mm。

所以由以上分析可知模型一不但容易出現(xiàn)鼓管現(xiàn)象，管內(nèi)最大承壓也無法滿足一次泵送到頂?shù)氖┕ひ?。由模型一和模型二的對比分析得，腹板高度不同，對灌注腹腔混凝土產(chǎn)生的影響也不同，腹板越高，灌注時產(chǎn)生的彎矩也越大，則焊縫連接處產(chǎn)生的應(yīng)力也越大，爆管的風(fēng)險就越大。所以對于模型一腹腔不設(shè)加勁拉板直接泵送灌注混凝是不可行的。

2設(shè)加勁拉板腹腔混凝土灌注分析

2.1建立有限元模型

文獻(xiàn)[1]-[3]都指出在灌注腹腔混凝土?xí)r應(yīng)該設(shè)拉板或型鋼加勁，但如何布置加勁拉板才能既滿足灌注要求又防止鼓管，還有待于研究。該橋拱肋腹腔加勁拉板布置圖如圖8所示。沿拱軸線縱向布置間距小于等于1 300mm，寬200mm，厚10mm的兩層拉板，層間距為500mm。為探究拉板間距和拉板層數(shù)對灌注泵壓以及腹板應(yīng)力的影響，建立見表1所列的對照組，并依次編號為A-H，其對應(yīng)模型圖如圖9、圖10所示。

2.2設(shè)拉板腹腔灌注有限元分析

通過有限元分析可知，加勁拉板的設(shè)置不同則其在灌注過程中最大應(yīng)力變化也不同，如圖11所示。當(dāng)設(shè)置兩層加勁拉板時，可以看出在相同泵壓下隨著拉板間距的減小其最大應(yīng)力也迅速減小，如圖在一次泵送到頂?shù)淖钚”脡?.6 MPa下，拉板間距為1 300mm、650mm、325 mm、0mm對應(yīng)的最大拉應(yīng)力分別為753 MPa、528 MPa、430MPa、193 MPa，比不設(shè)拉板應(yīng)力減小很多，證明加勁拉板設(shè)置能夠有效降低腹板最大應(yīng)力，從而降低爆管的風(fēng)險。當(dāng)設(shè)置三層拉板時，間距在650mm-1 300mm之間時與兩層拉板比較，對減小腹板最大應(yīng)力的貢獻(xiàn)不大，如圖0.6 MPa下a、e，b、f點之間的應(yīng)力對比;當(dāng)間距小于650mm時，三層拉板的約束效果明顯優(yōu)于兩層拉板，如圖0.6 MPa下c、g，d、h點之間的應(yīng)力對比。

由圖12設(shè)加勁拉板位移變化圖可以看出，當(dāng)設(shè)兩層拉板時，其位移變化和應(yīng)力變化是一致的，都隨拉板間距的減小而迅速減小，但當(dāng)加勁拉板間距設(shè)置在650mm-1 300mm范圍，其位移在3.17 mm-16.9 mm之間，變形較大會出現(xiàn)鼓管現(xiàn)象，由于變形過大圖中只給出了b點的位移。當(dāng)設(shè)置三層拉板時，由b、f，c、g，d、h點之間的位移比較不難看出，其最大位移明顯小于雙層拉板的最大位移。

該項目鋼管拱肋截面高度已經(jīng)達(dá)到鋼管混凝土拱橋設(shè)計規(guī)范的上線值，所以其腹腔混凝土灌注是施工重難點，實際施工時還要考慮管道摩阻以及不可預(yù)見的阻力，管內(nèi)泵壓大于0.6 MPa。所以由以上分析可知，在一次泵送最小泵壓下選用雙層拉板0mm間距，即腹腔分倉同時灌注混凝土，是可行的，其應(yīng)力位移云圖如圖13所示，在拉板與腹板交接處最大應(yīng)力193 MPa，腹板最大位移0.706 mm;或采用三層拉板間距小于650mm進(jìn)行設(shè)計，如圖14所示，當(dāng)加勁拉板間距設(shè)置為325 mm時，在加勁拉板與腹板交接處最大應(yīng)力為222 MPa，腹板最大位移為0.213 mm。

3結(jié)語

本論述以某大跨度連續(xù)梁拱橋為工程背景，通過大型有限元軟件，分析了不同泵壓下腹腔設(shè)加勁拉板與不設(shè)加勁拉板灌注時腹板應(yīng)力和位移變化的異同，研究結(jié)果表明。

（1）對于拱肋截面高3 m的腹腔混凝土灌注必須采取構(gòu)造措施，因為腹板越高灌注產(chǎn)生的彎矩就越大，所以為避免在腹板與上下鋼管焊接處產(chǎn)生過大應(yīng)力，應(yīng)當(dāng)在腹腔設(shè)置加勁拉板或型鋼加勁，以防止發(fā)生鼓管或爆管事故。

（2）加勁拉板縱向間距的設(shè)置，對拱肋腹腔混凝土灌注的影響很大，間距越小，其所能承受的管內(nèi)泵壓就越大，且腹板產(chǎn)生的應(yīng)力和位移也隨之減小。拉板間距在650mm-1 300mm之間設(shè)三層拉板還是雙層拉板對腹腔灌注能力的提升并不明顯，從經(jīng)濟造價角度考慮選兩層拉板較為合適。拉板間距小于650mm時，三層拉板對拱肋腹腔的約束更強，即腹腔灌注產(chǎn)生的應(yīng)力和變形越小，應(yīng)優(yōu)先考慮。

（3）該項目設(shè)計采用雙層拉板縱向間距小于等于1.3 m，通過論證分析并不能很好的滿足一次泵送到頂?shù)氖┕ひ螅饕且驗樵诩觿爬迮c腹板焊接處容易產(chǎn)生較大的集中應(yīng)力，從而導(dǎo)致加勁拉板失效，建議采用腹腔分倉同時灌注，或采用拉板間距小于650mm的三層拉板設(shè)置。