大跨径钢管混凝土拱桥主拱肋施工阶段稳定性分析

程 虎

（山西远方路桥（集团）有限责任公司，山西 大同 037006）

0 引言

钢管混凝土拱桥[1]造型美观，具有良好的跨越能力，在公路及城市桥梁中应用广泛，作为一种典型的自架设桥梁体系，大跨径钢管混凝土拱桥一般采用缆索吊装的方法施工，由于该类型桥梁的特点，在施工过程中桥梁的刚度和质量均处于不断变化之中，同时桥梁施工过程中受外荷载的情况较为复杂，外荷载的扰动对结构的稳定性[2]较为不利。一般对施工中结构的稳定分析以弹性理论为基础，进行整体或局部稳定分析，并以临界稳定系数作为评价结构安全与否的依据。大跨径钢管混凝土拱桥稳定分析过程中需考虑材料非线性、几何非线性的影响。

本文以一座大跨径的钢管混凝土拱桥作为依托工程，并考虑非线性的影响因素对桥梁施工过程中的整体稳定性进行了分析，根据特征值分析及结构的屈曲模态[3]确定了较为不利的施工阶段，为施工过程的安全性提供保障。

1 工程概况

依托工程主桥采用中承式有推力钢管混凝土拱桥结构，桥跨布置：2×16 m预制空心板+258 m钢管混凝土拱+2×16 m预制空心板，主桥计算跨径242 m，计算矢高比1/4，拱轴线为m=1.5的悬链线。拱肋为钢管混凝土桁架结构，上、下弦杆断面为平放的哑铃型，拱肋总高为5.36 m，总宽为2.76 m。圆管外径为960 mm，除拱脚埋设段及第2、3吊装段壁厚为18 mm外，其余拱肋壁厚为16 mm。水平两钢管间净距2.0 m，圆管之间设平联板连成一体，平联板为厚度14 mm。主桥拱肋与桥道系相交部位桥梁全宽：2.75 m（拱肋）+0.075 m+0.5 m（护栏）+16 m（行车道）+0.5 m（护栏）+0.075 m+2.75 m（拱肋）。引桥部分，单幅桥面横向布置为：0.5 m（护栏）+16 m（行车道）+0.5 m（护栏）=17 m。主桥拱圈采用双片式拱肋，拱上通过拱上立柱和吊杆连接桥面系，行车道板采用纵向“T”梁，横梁采用预制大型预应力混凝土梁，纵横交错形成全桥连续的正交梁格体系。

拱肋与行车道梁相交处设拱上横梁。拱上横梁采用钢管桁架形式，主、侧桁架的弦杆、腹杆钢管均采用Q345qD材质,主桁架弦杆尺寸为φ700×16。因上弦杆为压弯构件并承受支座处局部集中荷载，为增强承载能力并解决局部承压问题，上弦杆内填充C50微膨胀混凝土。下弦杆为拉弯构件，不填充混凝土。与主桁架上弦杆相接的拱肋腹杆尺寸为φ500×16，内填C50微膨胀混凝土。图1为该桥桥型布置图。

图1 桥型布置图

2 有限元分析

2.1 计算方法

根据《公路钢管混凝土拱桥设计规范》（JTG T D65-06—2015）规定，在施工阶段，应根据拱桥的特点和施工方法对钢管混凝土主拱肋的稳定性进行分析[4]，主拱肋弹性整体稳定临界系数为4.0。本文借助有限元结构分析平台Midas Civil（V8.2.1）对依托工程进行屈曲特征值和屈曲模态分析，分析中考虑材料非线性和几何非线性[5]影响，非线性分析的上限为稳定分析临界荷载系数。

2.2 有限元模型建立

2.2.1 施工阶段介绍

钢管混凝土拱桥采用缆索吊装施工时，根据现场起吊条件及起吊缆索机械的实际情况，主拱肋需划分为多个吊装节段，主要施工步骤描述如下：施工主墩基础→施工吊塔和扣塔→安装临时铰→吊装拱段（同时安装相应拱段内风撑）→主拱圈合龙→调整拱圈线形→各拱段焊接固定→拆除扣索→封铰→灌注拱圈下弦钢管混凝土→灌注拱圈上弦钢管和实心段混凝土→安装吊杆、拱上立柱、横梁→安装桥面板、施工桥面板湿接缝→施工桥面系→钢构件防腐。

表1 主要施工步骤

2.2.2 抗风缆布置

拱肋吊装施工过程中拱肋易受横风扰动而发生拱肋横向失稳，因此在施工过程中每吊装一个节段要安装相应风缆绳，风缆绳采用直径21.5 mm的钢丝绳，每一个拱肋吊装段拱背上上下游各拉一根风缆绳，全桥共布置8个抗风缆绳锚碇，风缆及锚碇的总体布置如图2所示。

图2 抗风缆绳布置图

2.2.3 建立模型

依据图纸资料，采用有限元结构分析软件Midas Civil（V8.2.1）进行空间分析计算，全桥共1 886个节点，2 102个单元，拱肋上下弦杆、一字横撑及K撑均采用梁单元进行模拟，风缆绳采用桁架单元，管内灌注混凝土、临时施工荷载以均布荷载计入计算模型。有限元模型如图3。

图3 有限元模型

3 空钢管节段吊装阶段稳定性分析

拱肋吊装施工过程中的抗风稳定性关系到结构安全，因此对拱肋吊装阶段受横风影响较大的阶段进行抗风稳定性验算，计算时考虑风缆对结构的稳定作用，拱肋上作用的横风荷载按设计基本风速计算，计算结果见表2。

表2 拱肋吊装阶段抗风稳定性

根据《公路钢管混凝土拱桥设计规范》（JTG T D65-06—2015），施工过程中拱肋的整体稳定性，临界荷载系数不小于4。由表2可知，施工过程中最大悬臂阶段的抗风稳定性最不利，即最小临界荷载系数为32，因此施工过程中抗风稳定性满足要求。

4 钢管混凝土灌注阶段稳定性分析

4.1 钢管混凝土灌注顺序

图4为拱肋横断面布置示意图，由图可知，全桥钢管拱肋主要由8根弦杆构成，分别为A1～A4及B1～B4，上弦杆（下弦杆）之间通过平联板连接，上下弦杆间通过腹连接，左右侧主拱肋由横撑连接，弦杆与平联板之间空腔均灌注混凝土，弦杆混凝土采用泵送，平联板混凝土采用人工灌注。钢管混凝土的灌注原则是对称匀速不间断，根据设计施工顺序，混凝土的灌注顺序为：B2、B3→B1、B4→A2、A3→A1、A4→下平联内混凝土→上平联内混凝土。

图4 弦管编号

4.2 稳定性分析

灌注混凝土阶段主拱肋恒载大幅增加，该过程应计算结构的自身稳定性。根据钢管混凝土灌注的施工顺序，确定灌注第一对空钢管管内混凝土为拱肋灌注过程的最不利施工阶段，因此灌注混凝土过程钢管的稳定性分析只需对该阶段进行，分析结果如图5和图6。

图5 失稳模态-俯视图

图6 失稳模态-侧视图

由图5、图6可知，灌注第一对管内混凝土时拱肋失稳模态为面外失稳，拱肋最小临界荷载系数为13，大于 4，满足要求。

5 结语

本文以一座大跨径的钢管混凝土拱桥作为依托工程，并考虑非线性的影响因素对桥梁施工过程中合龙前拱肋吊装施工过程中抗风稳定性、合龙后灌注钢管混凝土阶段的整体稳定性进行了分析。特征值分析及结构的屈曲模态结果表明，施工过程中最大悬臂阶段的抗风稳定性最不利，即最小临界荷载系数为32，大于结构失稳时临界系数4，因此施工过程中抗风稳定性满足要求，灌注第一对管内混凝土时最为不利，且失稳模态面外失稳，拱肋最小临界荷载系数为13，大于4，因此灌注混凝土阶段拱肋的稳定性满足要求，本文分析方法可供类似工程借鉴。