双肢哑铃形钢管混凝土灌注方案比较

张振宇

钢管混凝土结构在桥梁工程中的应用已经有一百多年的历史。早在1897年,英国的(Severn)铁路桥建设中就采用了钢管桥墩,当时在管中灌注混凝土主要用来防止内部锈蚀并承受压力。在20世纪30年代末期,前苏联用钢管混凝土建造了跨度101 m的公路拱桥和跨度140 m的铁路拱桥。

我国从1959年开始研究钢管混凝土的基本性能和应用,之后钢管混凝土技术逐渐在建筑、冶金、造船等部门的厂房和构架中得到应用。进入20世纪80年代,钢管混凝土在桥梁工程中开始得到研究和应用,1991年5月建成国内第一座钢管混凝土拱桥。

钢管混凝土是在薄壁圆形钢管内填充混凝土而形成的一种复合材料,它一方面借助内填充混凝土增强钢管壁的稳定性,同时又利用钢管对核心混凝土的套箍作用,使核心混凝土处于三向受压状态,从而使其具有更高的抗压强度和抗变形能力。

浇筑钢管内混凝土时,混凝土作为外荷载作用在钢管拱肋上,因此仍由钢管拱肋承受,应按钢结构计算。以后随着混凝土的凝固和强度的提高,混凝土开始与钢管一起参与受力。后期拱上建筑、桥面系恒载和活载均由钢管混凝土组合截面承担。因此,双肢哑铃形钢管中的三部分混凝土理论上就有三种灌注方式：1)一次泵送方式(下弦管、上弦管、腹腔混凝土一次泵送完成);2)两次泵送方式(首先灌注下弦管混凝土,待下弦管混凝土强度达到80%以上,之后连续灌注上弦管和腹腔混凝土);3)三次泵送方式(下弦管、上弦管和腹腔混凝土分三次灌注完成)(见图1)。

1 双肢哑铃形钢管混凝土灌注方案比较

1.1 工程概况

某钢管混凝土拱桥是主跨112 m的下承式钢管混凝土系杆拱桥,双向四车道,拱肋截面为双肢哑铃形,拱肋钢管材料采用Q345钢,钢管内灌C55混凝土,系杆采用C50混凝土箱形截面,矢跨比1/5,为在建桥梁。大桥断杆分析采用有限元分析软件桥梁博士进行模拟,有限元模型如图2所示。

拱桥吊杆由左至右为1号～12号吊杆。张拉次序：2号,11号→4号,9号→6号,7号→5号,8号→3号,10号→1号,12号。三种灌注方案下,吊杆张拉次序与张拉力一致,拱桥拱肋静力响应主要体现在应力变化和位移变化。

1.2 三种灌注方案拱肋应力变化

三种灌注方案拱肋钢管应力变化见表1～表4。

表1 三种灌注方案拱顶上缘应力表 MPa

表2 三种灌注方案拱顶下缘应力表 MPa

表3 三种灌注方案拱脚上缘应力表 MPa

表4 三种灌注方案拱脚下缘应力表 MPa

第一次灌注混凝土后,不待混凝土强度达到80%以上,立刻进行后续施工。混凝土由于早期强度未达到设计要求,故混凝土自重荷载全部由钢管承担,导致拱肋钢管应力过大,尤其是钢管下缘应力,与其他浇筑方式相比,超出很多。而第一次灌注混凝土,严格保证混凝土强度达到80%,后续上弦管混凝土和腹腔混凝土是分批次灌注或者是一次性灌注,对拱肋钢管线形影响很小,其中两次灌注比三次灌注应力只略大1 MPa左右。

1.3 三种灌注方案拱肋位移变化

三种灌注方案拱肋位移变化见表5～表7。

表5 一次灌注方案拱顶位移影响 cm

表6 两次灌注方案拱顶位移影响 cm

表7 三次灌注方案拱顶位移影响 cm

第一次灌注混凝土后,不待混凝土强度达到80%以上,立刻进行后续施工。混凝土由于早期强度未达到设计要求,故混凝土自重荷载全部由钢管承担,导致拱肋变形过大。而第一次灌注混凝土,严格保证混凝土强度达到80%,后续上弦管混凝土和腹腔混凝土是分批次灌注或者是一次性灌注,对拱肋钢管线形影响很小。

1.4 灌注方案比较

基于以上计算分析可知,双肢哑铃形钢管混凝土拱桥下弦管灌注完成后,不待混凝土强度达到80%以上,立刻进行后续混凝土灌注施工,对拱肋的应力和位移有较大的不利影响。

因此,在施工的过程中,应当注意施工顺序,严格保证下弦管灌注完成后混凝土的强度达到设计要求。上弦管和腹腔混凝土灌注过程,适当的时候可以紧凑施工。

2 结语

基于大桥断杆受力性能的研究,可以得到以下结论：1)禁止采用一次灌注的方式,需严格保证下弦管混凝土强度达到80%以上才能进行后续工况的混凝土灌注。2)采用三次灌注的方式,可以有效减小施工过程及成桥后拱肋竖向位移和拱肋各截面的正应力。3)如果工期比较紧张,可以考虑在下弦管混凝土达到设计强度80%之后,对上弦管混凝土和腹腔混凝土进行连续灌注。

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