钢管混凝土劲性骨架钢筋混凝土拱桥拱肋施工稳定分析

赵胤儒，朱克兆

(长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉430010)

随着高强度材料和先进施工技术的出现和应用，钢管混凝土劲性骨架钢筋混凝土拱桥也相继出现。劲性骨架在拱桥施工过程中主要为浇筑拱肋混凝土提供支架，其次也是拱圈的主要受力构件。拱桥拱肋截面在施工过程中不断变化，且截面的受力也不断变化，因此拱肋外包混凝土浇筑期间的稳定性是整个工程成功的主要保证。本文以乌江彭水电站的茶林坪乌江大桥为例，探讨其施工过程中的稳定计算，同时利用稳定计算结果指导施工。

1 结构概况

茶林坪乌江大桥是一座钢管混凝土劲性骨架钢筋混凝土拱桥。一跨跨越主河槽，计算跨径为150 m，净跨径为147.42 m，矢跨比为1/5，拱轴系数m=1.347，拱肋为等截面钢筋混凝土箱型结构，拱肋截面高3.0 m、宽2.0 m，箱型断面顶、底、腹板均厚37 cm，内壁上下梗胁尺寸为20 cm×20 cm，钢管内混凝土采用C50微膨胀混凝土，外包混凝土采用普通C50混凝土。其桥型布置图如图1。

图1 彭水茶林坪乌江大桥桥型布置图

设计初期对该地形边界特征进行过刚构桥、钢管混凝土拱桥、钢管混凝土劲性骨架钢筋混凝土拱桥劲性进行了对比，综合乌江的通航和两岸交通的衔接和减小桥梁后期的维护费用，决定采用钢管混凝土劲性骨架钢筋混凝土拱桥。劲性骨架采用299×12的Q345C钢管，钢管内灌注C50微膨胀混凝土。劲性骨架安装架设后，在骨架上悬挂模板分为5个工作面多个阶段对称浇筑劲性骨架外包混凝土，待先浇混凝土达到一定的设计强度后作为承载结构的一部分，与钢管混凝土骨架共同承受后浇的各部分混凝土的重量。

本桥由于在浇筑外包混凝土时受混凝土模板和工序的影响，成桥拱肋弯矩主要由拱肋的顶、底板承受。为保证顶、底板浇筑的质量，拱肋顶、底板混凝土须一次浇筑完成，腹板可以采用一次或者多次浇筑完成。本桥的施工顺序大体为[1]:吊装钢管节段→安装索扣和抗风索→安装永久横撑和临时横撑→安装合龙段→钢管合龙→拱脚混凝土封铰→灌注钢管内混凝土→拆除临时横撑→释放扣索和抗风索→浇筑箱型拱肋底板混凝土→浇筑箱型拱肋腹板混凝土→浇筑箱型拱肋顶板混凝土→安装吊杆、横梁→安装桥面纵梁→安装桥面附属结构→验收竣工。整个施工过程的稳定控制主要是拱肋在施工过程中的稳定，一旦结构断面确定，能影响施工过程的稳定主要在于腹板的浇筑方式，因此本文设计了三种不同的腹板浇筑情况，并计算出相应方案施工过程的稳定安全系数，获得最佳的施工方案。三种不同腹板浇筑顺序示意图如图2。

图2 三种不同腹板浇筑顺序示意图

2 稳定分析理论

(1)按照弹性稳定理论，结构在临界荷载作用下的平衡方程为:

式中:[Ko]为结构弹性刚度矩阵;[KNL]为结构几何刚度矩阵。

利用几何刚度求解欧拉稳定性的问题，归结为求解一个广义特征值的问题。

结构的稳定系数为:K=Nu/N0

其中:Nu为结构失稳时的结构内力;N0为结构作用效应最不利组合对应的结构内力。

(2)非线性稳定理论，结构在临界荷载作用下的平衡方程为:

式中:[Ko]为结构弹性刚度矩阵;[KNL]为结构几何刚度矩阵;[KLD]为结构大位移产生的刚度矩阵。

非线性有限元必须采用增量法求解极值稳定性，即:

结构失稳的总荷载可以表示为:

式中:{Pcr}为结构失稳的总荷载;{Po}为此阶段开始施工之前的结构自重;{P1}为施工阶段的活荷载;λ为结构失稳时相对于{Pa}施加倍数，{Pa}为假设荷载。

稳定安全系数K定义为:K=(Pd+λP1)/(Pd+P1)

3 结构有限元分析

由西南交通大学[2]、[3]和重庆交通学院[4]的研究成果，对劲性骨架混凝土结构，骨架上、下弦杆的钢管混凝土、腹杆、平联采用空间梁单元离散，顶、底和腹板采用板壳单元离散。浇筑混凝土强度未达到设计要求时，将其混凝土重量以荷载形式作用于弦杆上;当混凝土强度达到要求后，按照板梁的组合结构进行计算，钢管混凝土采用两种不同材料组成的联合截面。推荐方案全桥有限元计算模型如图3所示。

图3 方案二计算模型图

拱肋腹板三种不同浇筑方案的稳定安全系数计算结果如图4。

图4 拱肋腹板三种浇筑方案的稳定安全系数

以上表格数据的施工阶段从拱脚混凝土封铰开始，一直到附属结构安装结束。三种方案的稳定安全系数的分支点位于不同腹板浇筑，从施工过程中的稳定安全系数知，方案一在浇筑箱拱外包混凝土时稳定安全系数离散较大，方案二和方案三较为均匀。

三种不同腹板浇筑方案中，方案一的每次浇筑腹板混凝土量大约为1.8倍底板混凝土量，方案二中每次浇筑腹板的混凝土量大约为0.9倍底板混凝土量，方案三中每次浇筑腹板的混凝土量大约为0.6倍底板混凝土量。

经过对比知:方案一的工期是比较短，但是浇筑外包混凝土过程中的稳定安全系数比较低，最不利的情况出现在浇筑腹板过程中，仅有2.5;方案二的工期较方案一长，但是浇筑外包混凝土过程中的稳定安全系数较方案一明显提高，最不利的情况出现在浇筑下腹板过程中，其安全系数为3.7;方案三的工期较方案一和方案二更长，最不利的情况出现在浇筑底板混凝土，其稳定安全系数为3.9。方案一和方案二腹板浇筑的稳定安全系数均小于浇筑底板时的稳定安全系数(K=3.9)，方案三腹板浇筑的稳定安全系数均大于浇筑底板时的稳定安全系数，方案三浇筑腹板过程中的最小稳定安全系数为4.3(大于3.9)，由此可知腹板浇筑混凝土方量次数不能再多于方案三的腹板浇筑次数。

由于该桥的施工特点为箱肋顶、底板混凝土必须一次浇筑完成，三种方案中方案二在施工过程中的最小稳定安全系数的偏离最小(与浇筑底板时的稳定安全系数相差约为5%)，综合施工工序复杂程度、工期和施工过程中稳定性的要求，最终推荐方案二为实际施工方案。

4 结论

(1)下承式钢管混凝土劲性骨架钢筋混凝土拱桥的拱肋多为单箱单室截面，由于外包混凝土模板和工序的影响，其外包混凝土顶、底板混凝土需要一次浇筑完成，从而影响拱肋在施工过程中的稳定性主要体现在拱肋外包混凝土腹板的浇筑方式上。

(2)腹板混凝土浇筑应采用多次浇筑，并且要求前一阶段浇筑混凝土达到强度后才能继续浇筑后一阶段的混凝土。

(3)腹板混凝土浇筑方量尽量与底板混凝土浇筑方量相当，从而避免稳定安全系数偏小，同时也应避免浇筑方量太少增加施工工序从而增加工期。

(4)本桥在施工过程中的最小稳定安全系数为3.7，但成桥结构的稳定安全系数为6.8，满足工程中稳定系数不小于4的要求。

[1]四川省交通厅，万县长江公路大桥技术总结[M].成都:电子科技大学出版社，2001

[2]赵雷，张金平.大跨度钢筋混凝土拱桥施工阶段稳定性分析的非线性问题[J].四川建筑科学研究，1995(4)

[3]谢尚英，钱冬生.劲性骨架混凝土拱桥施工阶段的非线性稳定分析[J].土木工程学报，2000(1)

[4]顾安邦，王荣，刘湘江，等.大跨度钢管混凝土劲性骨架肋拱桥的稳定性研究[C]//中国公路学会2001年学术交流论文集，2001

[5]杨炳成，邬刚柔，刘剑.大跨径钢管混凝土劲性骨架非线性分析[J].桥梁建设，2006(1)