大跨度提籃拱橋管內(nèi)混凝土灌注結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究

基金項(xiàng)目：廣西重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“基于大跨徑拱橋施工的智慧工地建設(shè)技術(shù)研究與應(yīng)用”（編號(hào)：桂科AB20297028）

作者簡介：陳世才（1983—），工程師，主要從事橋梁施工管理工作。

文章以世界最大跨公路鋼管混凝土提籃拱橋沙尾左江特大橋?yàn)楣こ桃劳?，基于有限元方法，利用MIDAS/Civil軟件建立了大橋空間仿真模型，對(duì)拱肋混凝土灌注過程中主拱應(yīng)力、變形及穩(wěn)定性進(jìn)行研究。結(jié)果表明：確定最優(yōu)灌注順序是保證結(jié)構(gòu)后續(xù)良好受力的關(guān)鍵，對(duì)于鋼管而言，上、下弦桿應(yīng)力差在L/2跨徑范圍內(nèi)以L/4截面為中點(diǎn)呈正負(fù)交替的形式，且拱腳段上弦桿應(yīng)力遠(yuǎn)大于下弦桿，而混凝土應(yīng)力變化趨勢與灌注順序一致，先灌注的混凝土更先參與協(xié)同受力；拱肋偏位產(chǎn)生原因可大致分為兩類，主要決定因素為拱肋整體剛度以及混凝土自重大小，但對(duì)于全過程而言，混凝土灌注完畢后拱肋偏位最終會(huì)回歸到0值附近；對(duì)于提籃拱橋，拱肋混凝土灌注過程中結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模態(tài)均為面外反對(duì)稱失穩(wěn)，且一階穩(wěn)定系數(shù)均較大，這是由提籃拱本身結(jié)構(gòu)特性決定的。

橋梁工程；提籃拱；混凝土灌注；應(yīng)力；變形；穩(wěn)定性

U448.22-A-01-001-4

0?引言

鋼管混凝土拱橋因其良好結(jié)構(gòu)受力、造型優(yōu)美、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)近年來得到了大力發(fā)展［1］。管內(nèi)混凝土灌注常采用真空輔助施工工藝［2］，混凝土泵送是形成鋼-混組合截面的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)，特別是混凝土灌注前期混凝土以濕重作用于空鋼管，此時(shí)鋼-混組合結(jié)構(gòu)并未形成有效強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)變形較大且過程偏載嚴(yán)重，為此有必要針對(duì)該環(huán)節(jié)展開詳細(xì)分析以確保現(xiàn)場實(shí)施安全。

目前已有相關(guān)學(xué)者做過類似研究，王建軍等［3］根據(jù)ALARP風(fēng)險(xiǎn)可接受準(zhǔn)則，對(duì)管內(nèi)混凝土可能出現(xiàn)的事故進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；譚中法等［4］依托德余高速公路烏江特大橋，分析了不同混凝土灌注順序?qū)袄呦夜軆?nèi)力分配和混凝土應(yīng)力的影響；趙藝程等［5］為降低管內(nèi)混凝土灌注施工風(fēng)險(xiǎn)，開展了混凝土頂升灌注工藝試驗(yàn)研究；劉小勇等［6］針對(duì)管內(nèi)混凝土灌注過程結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常振動(dòng)的現(xiàn)象，詳細(xì)分析了現(xiàn)象產(chǎn)生原因；曾勇等［7］結(jié)合混凝土強(qiáng)度發(fā)展情況，探討了改變管內(nèi)混凝土灌注順序?qū)Ω纳乒袄咂坏目尚行浴?/p>

綜合上述分析，現(xiàn)有文獻(xiàn)研究大多針對(duì)平行拱橋開展，而對(duì)大跨提籃拱橋灌注過程中結(jié)構(gòu)受力、變形及穩(wěn)定性鮮有研究。為彌補(bǔ)不足，本文以世界最大跨公路鋼管混凝土提籃拱橋沙尾左江特大橋?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)拱肋混凝土灌注過程中結(jié)構(gòu)響應(yīng)展開了詳細(xì)研究，以供同類型橋梁施工借鑒和參考。

1?工程概況

1.1?工程背景

沙尾左江特大橋位于廣西崇左市境內(nèi)，設(shè)計(jì)為一跨過江形式，主橋?yàn)橹骺?60 m中承式鋼管混凝土提籃拱橋，拱肋向橋中軸線內(nèi)傾10°。主要設(shè)計(jì)參數(shù)：拱軸線系數(shù)為1.55、計(jì)算跨徑為340 m、計(jì)算矢高為75 m，拱軸線采用懸鏈線。

大橋拱肋采用桁式結(jié)構(gòu)，拱肋截面為等寬變高度矩形截面，肋寬3.2 m，拱腳截面和拱頂截面徑向高度分別為12 m和7 m。每肋上、下弦均為兩根1 200 mm鋼管混凝土弦管，壁厚有24 mm、28 mm、32 mm 3種規(guī)格，其中綴管尺寸為720×16 mm，豎向腹桿為610×14 mm。拱肋鋼材為Q345qc，管內(nèi)混凝土為C60自密實(shí)混凝土。大橋整體布置如圖1所示。

1.2?施工灌注方案

隨著管內(nèi)混凝土灌注的進(jìn)行，拱肋剛度不斷變化，受力復(fù)雜，先澆筑并凝固的混凝土將在以后的工況中與空鋼管協(xié)同受力，因此必須在灌注方案明確的情況下進(jìn)行施工控制分析。沙尾左江特大橋主弦管管內(nèi)混凝土灌注采用真空輔助施工工藝，以提高施工質(zhì)量，主弦管內(nèi)使用C60自密實(shí)高性能混凝土。由于該橋單根管內(nèi)混凝土灌注方量達(dá)413.9 m3，拌和站較遠(yuǎn)，一次性灌注很難完成；同時(shí)拱頂較高為減少泵送壓力和灌注風(fēng)險(xiǎn)，單根拱肋鋼管半跨設(shè)2處進(jìn)漿支管，分二級(jí)向拱頂泵送。為了避免灌注時(shí)進(jìn)漿口對(duì)管壁的沖擊力，在管內(nèi)部設(shè)置一節(jié)彎管以緩解沖擊，第1級(jí)選用規(guī)格為45°R1 m的彎管，第2級(jí)選用規(guī)格為15°R1 m的彎管。具體布置及灌注順序如下頁圖2所示。

2?有限元模型

采用橋梁通用有限元程序Midas Civil軟件建立大橋管內(nèi)混凝土灌注仿真分析模型，除吊桿采用桁架單元、橋面板采用板單元模擬外，其余均采用空間梁單元模擬。管內(nèi)混凝土泵送過程采用程序自帶的施工階段聯(lián)合截面模擬，其中混凝土強(qiáng)度發(fā)展通過定義C60強(qiáng)度發(fā)展曲線實(shí)現(xiàn)。大橋拱腳固結(jié)，拱上立柱盆式支座根據(jù)實(shí)際剛度以彈性連接模擬。大橋結(jié)構(gòu)離散共計(jì)節(jié)點(diǎn)數(shù)1 548個(gè)，單元數(shù)2 756個(gè)，有限元模型如圖3所示。

3?橋梁施工過程分析

3.1?灌注過程中結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

隨著施工的推進(jìn)，管內(nèi)混凝土凝固的同時(shí)也具備了一定的剛度，后期灌注的混凝土以濕重的方式作用于結(jié)構(gòu)時(shí)，前期凝固的混凝土將與拱肋弦桿形成整體結(jié)構(gòu)協(xié)同受力。這時(shí)對(duì)于鋼管和混凝土而言，其內(nèi)部應(yīng)力儲(chǔ)備也隨著施工的進(jìn)行發(fā)生變化，因此有必要對(duì)拱肋整個(gè)動(dòng)態(tài)的灌注過程展開應(yīng)力分析。整個(gè)灌注階段拱腳截面、L/4截面，拱頂截面拱肋最大組合應(yīng)力如圖4～6所示。

由圖4～6可得，隨著施工階段的進(jìn)行，鋼管及管內(nèi)混凝土應(yīng)力呈現(xiàn)遞增的趨勢。在整個(gè)管內(nèi)灌注過程中，鋼管壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在8#管拱頂位置，為122.2 MPa，小于Q345鋼材容許應(yīng)力210 MPa；管內(nèi)混凝土壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在1#管L/4截面位置，為13.7 MPa，滿足C60應(yīng)力限值26.5 MPa，施工階段材料使用滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

與此同時(shí)，縱觀拱腳到拱頂截面，拱腳位置處于最大受力，拱腳截面處鋼管下弦應(yīng)力遠(yuǎn)大于上弦受力，同時(shí)上弦部分鋼管出現(xiàn)拉應(yīng)力；從拱腳段到L/4截面，拱肋上下弦桿應(yīng)力差趨于小值；從L/4截面到拱頂位置，拱肋上弦桿的應(yīng)力值大于下弦桿。這是由于拱式結(jié)構(gòu)在荷載作用下，拱頂承受正彎矩，拱腳承受負(fù)彎矩，L/4截面為正負(fù)彎矩的過渡段，使得該桁架結(jié)構(gòu)在L/2跨范圍內(nèi)，上下弦桿的應(yīng)力差呈現(xiàn)正負(fù)交替形式（如圖7所示）。同時(shí)不難發(fā)現(xiàn)，對(duì)于混凝土而言，混凝土的壓應(yīng)力大小與灌注順序是相對(duì)應(yīng)的，即先灌注的混凝土凝固后將與拱肋弦桿協(xié)同受力，隨著后續(xù)管內(nèi)混凝土灌注的進(jìn)行承受更大的壓應(yīng)力。（注：“-”表示下弦桿截面應(yīng)力大于上弦應(yīng)力）

為了驗(yàn)證單根鋼管不同灌注順序?qū)Y(jié)構(gòu)的影響，下面分別以5#管和7#管為例，給出拱肋各關(guān)鍵截面的應(yīng)力變化情況，結(jié)果如表1和表2所示。

由表1和表2所可得，5#管灌注完畢后，對(duì)1#、8#、6#鋼管影響較大；7#管灌注完畢后，對(duì)2#、6#、8#管影響較大。不難發(fā)現(xiàn)，單根鋼管混凝土灌注時(shí)，對(duì)同一側(cè)下弦桿以對(duì)側(cè)同一位置處鋼管受力影響較大，甚至在拱肋某些位置產(chǎn)生了拉應(yīng)力，進(jìn)一步闡明了合理施工順序的重要性。

3.2?灌注過程中結(jié)構(gòu)線形分析

作為鋼管混凝土拱橋，尤其是內(nèi)傾角度較大的提籃式，其管內(nèi)混凝土灌注大致可分為兩個(gè)階段：（1）混凝土濕重階段，此時(shí)混凝土自重以荷載的形式直接作用于空鋼管之上；（2）鋼-混組合結(jié)構(gòu)形成階段，此時(shí)混凝土已逐漸形成自身強(qiáng)度，共同與空鋼管承擔(dān)后續(xù)混凝土濕載。對(duì)于提籃式拱橋，管內(nèi)混凝土灌注引起拱肋的偏載是不可回避的問題，從力學(xué)的角度分析，其影響因素可分為以下兩類：

（1）對(duì)于特大橋梁而言，考慮混凝土后場的供應(yīng)，通常選擇拱肋逐根灌注的形式，此時(shí)對(duì)于整個(gè)拱肋結(jié)構(gòu)而言，處于偏載作用下，勢必會(huì)引起上下游拱肋不均勻的彈性壓縮，使得拱肋偏向灌注側(cè)，如圖8（a）所示。

（2）由于為空間異形結(jié)構(gòu)，拱肋內(nèi)傾，將灌注部分混凝土自重沿拱肋中軸線分解，具有向?qū)?cè)傾斜的趨勢，如圖8（b）所示。

根據(jù)上述分析，不難發(fā)現(xiàn)兩種影響因素對(duì)拱肋偏位的影響互為對(duì)立關(guān)系，對(duì)于拱肋整體結(jié)構(gòu)較大且混凝土荷載較小時(shí)，前者為主導(dǎo)關(guān)系，反之后者為主導(dǎo)關(guān)系。

大橋單肋共劃分為16個(gè)節(jié)段，控制點(diǎn)均取階段交點(diǎn)，鑒于篇幅有限，如下頁表3和表4分別給出了1#管灌注和管內(nèi)混凝土整體灌注完成后L/2跨范圍內(nèi)拱肋線形變化數(shù)據(jù)。（其中拱肋高差均為下游減上游，橫向偏位以上游為正。）

由表3數(shù)據(jù)可分析得到，1#管灌注完畢，拱肋朝灌注對(duì)側(cè)傾斜，體現(xiàn)為第二種因素占主導(dǎo)作用。此時(shí)位于L/4截面的4#段上下游高差達(dá)到了16.78 mm，且拱頂位置8#段的偏位達(dá)到了23.43 mm。由表4可知，管內(nèi)混凝土灌注完畢，此時(shí)拱肋結(jié)構(gòu)處于對(duì)稱荷載作用下，拱肋橫向最大偏位僅為3.82 mm，可基本忽略不計(jì)。由此可見，對(duì)于管內(nèi)混凝土整個(gè)灌注階段，拱肋偏位僅為暫時(shí)過程數(shù)據(jù)，隨著混凝土灌注的進(jìn)行，其數(shù)值終將回歸0值附近。

3.3?灌注過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

作為世界最大跨公路鋼管提籃拱橋，管內(nèi)混凝土灌注過程中的穩(wěn)定問題較平行拱更為突出，應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視。因此，本文結(jié)合拱橋的受力特點(diǎn)，采用有限元理論進(jìn)行管內(nèi)混凝土灌注過中一類穩(wěn)定線性屈曲分析。根據(jù)線性屈曲理論，結(jié)構(gòu)在外荷載作用下的特征方程為：

根據(jù)管內(nèi)灌注順序先后將8根弦桿灌注分為8個(gè)施工工況，運(yùn)用Midas Civil[JP4]軟件進(jìn)行施工過程結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析，結(jié)果只考慮1階彈性穩(wěn)定系數(shù)。分析結(jié)果如表5所示。

由表5可得，在管內(nèi)混凝土灌注過程中，大橋在8種荷載工況下的拱肋穩(wěn)定系數(shù)均大于4，且都為面外反對(duì)稱，滿足《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGT D65-06-2015）5.9.1條例［8］要求。同時(shí)，隨著管內(nèi)混凝土灌注的進(jìn)行，拱肋穩(wěn)定系數(shù)幾乎呈均勻趨勢減小，無劇烈突變。8#管內(nèi)混凝土灌注完畢后，拱肋穩(wěn)定系數(shù)保持在17.27，可見結(jié)構(gòu)縱橋向剛度對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響要大于橫橋向剛度的作用。作為提籃式拱橋.其本身具有較大的橫向剛度，因此結(jié)構(gòu)一階穩(wěn)定系數(shù)較大。

4?結(jié)語

本文以世界最大跨公路鋼管混凝土提籃拱橋沙尾左江特大橋?yàn)楣こ桃劳校糜邢拊椒ㄔ敿?xì)分析了管內(nèi)混凝土灌注這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)對(duì)拱肋應(yīng)力、線形及穩(wěn)定性的影響，得出主要結(jié)論如下：

（1）管內(nèi)混凝土單側(cè)灌注時(shí)，對(duì)同側(cè)下弦桿以對(duì)側(cè)同一位置處鋼管受力影響較大，甚至在拱肋某些位置產(chǎn)生了拉應(yīng)力，因此確定最優(yōu)的灌注順序是保證結(jié)構(gòu)后續(xù)施工良好受力的關(guān)鍵。

（2）管內(nèi)混凝土灌注過程中：對(duì)于鋼管，上下弦桿應(yīng)力差在L/2跨徑范圍內(nèi)成正負(fù)交替形式，其中拱腳段上弦桿應(yīng)力遠(yuǎn)大于下弦桿受力，施工過程中務(wù)必關(guān)注拱腳段受力情況；對(duì)于混凝土，混凝土的壓應(yīng)力大小與灌注順序一致，即先灌注的混凝土凝固后將與拱肋弦桿協(xié)同參與后續(xù)工況的受力，灌注完成后將承受更大的壓應(yīng)力。

（3）拱肋單側(cè)灌注時(shí)，拱肋整體剛度和混凝土自重大小決定了拱肋傾斜方向，拱肋剛度小，荷載大結(jié)構(gòu)朝灌注側(cè)傾斜，反之則為相反，但混凝土灌注完畢后拱肋偏位終會(huì)回歸0值附近。

（4）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)在灌注過程中呈均勻趨勢減小，且都為面外反對(duì)稱失穩(wěn)，其整體一階系數(shù)較大，這是由提籃拱橋本身結(jié)構(gòu)特性決定的。

［1］陳寶春，張夢嬌，劉君平，等.我國混凝土拱橋應(yīng)用現(xiàn)狀與展望［J］.福州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，49（5）：716-726.

［2］韓?玉.鋼管拱橋管內(nèi)混凝土真空輔助灌注試驗(yàn)及實(shí)橋應(yīng)用［J］.橋梁建設(shè)，2015（2）：19-25.

［3］王建軍，謝燦榮，何建喬，等.大跨徑鋼管混凝土拱橋管內(nèi)混凝土施工質(zhì)量分析與評(píng)估［J］.公路，2023，68（11）：172-175.

［4］譚中法，許春榮，王志金，等.德余高速公路烏江特大橋拱肋混凝土灌注順序研究［J］.公路，2023，68（10）：17-20.

［5］趙藝程，牟廷敏，鄒?圻，等.大跨徑鋼管混凝土拱橋管內(nèi)混凝土頂升灌注工藝試驗(yàn)［J］.公路交通科技，2023，40（3）：115-122.

［6］劉小勇，郝聶冰.特大跨徑鋼管混凝土拱橋管內(nèi)混凝土灌注后結(jié)構(gòu)異常振動(dòng)研究［J］.施工技術(shù)，2020，49（11）：44-47.

［7］曾?勇，陳艾榮，顧安邦，等.考慮混凝土收縮徐變影響的大跨徑鋼管混凝土拱橋灌注順序的分析［C］.第十七屆全國橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（下冊(cè)），2006.

［8］JTG/T D65-06-2015，公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.