大跨径钢管混凝土拱桥灌注顺序仿真分析研究

韦有波

（中铁十八局集团第二工程有限公司 河北唐山 063000）

1 引言

钢管混凝土拱桥属于自架设体系，先进行空钢管的架设再进行管内混凝土灌注。在混凝土灌注期间，不同灌注顺序下拱肋形状以及钢管应力的变化均不同。谢肖礼、秦荣［1］等针对具体混凝土灌注工程中发生的爆管事故进行了研究，发现应力在腹板与弦管连接处的数值最大。陈宝春［2］通过设置不同的灌注工况来模拟不同的灌注顺序，得出混凝土的灌注顺序对拱肋截面应力的影响较大的结论。邱文亮［3］等对拱桥混凝土灌注过程中的稳定性进行了研究，发现采用先下弦管后上弦管的灌注顺序拱肋稳定性较高。杜迎东［4］针对不合理的灌注顺序所产生的弊端，提出通过调整吊杆索力进行优化和解决。

钢管拱肋混凝土灌注是钢管混凝土拱桥施工过程中的关键环节［5］，合理的灌注顺序能使拱肋钢管的变形和应力变化均匀［6］。本文以成贵高铁控制性工程西溪河大桥为工程背景，运用有限元分析软件Midas/Civil对不同灌注顺序下拱肋钢管的变形以及应力变化情况进行研究分析。

2 工程概况

西溪河大桥是我国高铁建设中首座钢管混凝土转体拱桥，主桥结构为上承式X形钢管混凝土提篮拱，拱址中心跨度240 m。拱肋高5.7 m、宽3.0 m，每肋由4肢φ1 100×20mm钢管构成，其上下弦各由两肢钢管与其间的两块20mm厚钢板连接成哑铃型。从拱脚起纵桥向52m范围内为实腹段，实腹段的上弦管与下弦管之间通过钢板连接形成，钢板的厚度为16 mm，拱肋截面形式为箱形。西溪河大桥效果图如图1所示。

图1 西溪河大桥效果图

3 分析过程

3.1 基本假设

（1）混凝土与钢管的粘结性良好，不会出现脱空的现象，不会发生相对滑移，混凝土和钢管在荷载的作用下变形保持协调［7］。

（2）钢管混凝土哑铃型截面保持平截面假定，即截面形状和面积在变形前后不会发生变化［8］。

（3）先前灌注的混凝土达到一定强度后再进行后一批混凝土灌注，刚灌注的混凝土没有刚度。

3.2 灌注顺序的设定

西溪河大桥钢管内混凝土采用泵送顶升法进行灌注，采用C50微膨胀混凝土，灌注体积总计为3 496 m3。其中：上弦管1 002m3（每条钢管250.6m3，0.882 m3/m），下弦管 975.6 m3（每条钢管 244 m3，0.882m3/m）；上弦盖钣409.2m3（每条盖钣204.6m3，0.737 m3/m），下弦盖钣 398 m3（每条盖钣 199 m3，0.737m3/m）；实腹板 711 m3（每条实腹板 88.9 m3，1.654 m3/m）。由于先期灌注的混凝土凝固需要一定时间，因此拱肋刚度是一个逐渐变大的过程［9］。

本文拟定了四种灌注顺序，如表1所示，分别对这四种不同灌注顺序下拱肋钢管变形与应力的变化特点进行分析。为能对四种灌注顺序进行更好地说明，将拱肋钢管进行编号，如图2所示。

图2 拱肋钢管编号

表1 四种灌注顺序

采用有限元分析软件Midas/Civil对每种灌注顺序下拱肋钢管的位移和应力变化情况进行仿真计算分析。由于拱肋管内混凝土自开始灌注到灌注完成的时间较短，混凝土收缩徐变效应不明显［10］，在计算分析中不考虑混凝土收缩徐变对拱肋钢管位移和应力造成的影响。

4 计算结果分析

4.1 灌注顺序对钢管变形的影响

分别取上外侧管 L/8处、L/4处、3L/8处、L/2处在8个工况下的竖向累积位移量进行分析。上外侧钢管各处的位移值及变化情况如表2～表5所示。

表2 灌注顺序1下拱肋截面竖向位移 mm

表3 灌注顺序2下拱肋截面竖向位移 mm

表4 灌注顺序3下拱肋截面竖向位移 mm

表5 灌注顺序4下拱肋截面竖向位移 mm

从表2～表5中可以看出，在混凝土灌注过程中自拱脚至拱顶的位移量逐渐变大，拱顶处的位移最大。灌注顺序3中拱顶的最终位移最大，数值为39.65mm；灌注顺序4中拱顶的最终位移最小，数值为35.33 mm。两者数值相差4.32mm。在4种灌注顺序下拱顶变形过程中的最大位移值为47.19mm，小于48mm（L/5 000）。

为能更好地分析拱肋在混凝土灌注过程中的位移变化，绘制各个灌注顺序下的拱肋位移变化曲线，见图3～图6。

图3 灌注顺序1下的拱肋位移变化曲线

图4 灌注顺序2下的拱肋位移变化曲线

图5 灌注顺序3下的拱肋位移变化曲线

图6 灌注顺序4下的拱肋位移变化曲线

从图3～图6可以得出：拱肋各处的位移大致呈“凹”字形的形状。随着灌注阶段的进行，代表各个工况曲线的间距越来越小，即相邻工况间的位移增量变小。这说明先期灌入的混凝土不断凝固，与钢管拱肋形成联和截面，刚度不断增强，抵抗荷载和变形的能力也不断增强［11］。在进行腹板内混凝土的灌注施工过程中，拱顶位移变化情况较复杂。灌注顺序1中拱顶在前6个工况中位移的方向向下，在进行腹板内混凝土灌注时位移的方向向上，位移差值为5.4 mm，占总位移增量的14.2%。灌注顺序2中拱顶在前6个工况中位移的方向向下，在进行腹板内混凝土灌注时位移的方向向上，位移差值为7.4 mm，占总位移量的19.2%。灌注顺序3中拱顶在前6个工况中位移的方向向下，在进行腹板内混凝土灌注时位移的方向向上，位移差值为7.5 mm，占总位移量的19.1%。灌注顺序4中拱顶位移的方向先向下，在进行腹板内混凝土灌注时位移的方向向上，最后方向又向下，位移差值为8.8 mm，占总位移量的24.9%。

4.2 灌注顺序对钢管应力的影响

钢管混凝土拱桥在灌注管内混凝土期间，不同灌注顺序下拱肋钢管应力的变化情况不同［12］。分别取拱肋拱脚处、L/4处、3L/8处和拱顶处的应力进行分析研究。不同灌注顺序下拱肋钢管应力变化情况如图7～图10所示。

图7 灌注顺序1下钢管应力变化曲线

图8 灌注顺序2下钢管应力变化曲线

图9 灌注顺序3下钢管应力变化曲线

图10 灌注顺序4下钢管应力变化曲线

从图7～图10可以得出，随着灌注阶段的进行，拱肋部分的应力值不断增大。拱顶处钢管的应力值最大，拱肋L/4处的应力值较小。灌注顺序1中拱顶应力的最终值为-61.4 MPa，灌注顺序2中拱顶应力的最终值-67.4 MPa，灌注顺序3中拱顶应力的最终值为-65.3 MPa，灌注顺序4中拱顶应力的最终值为-57.7 MPa。拱顶处钢管应力在进行腹板内混凝土灌注时减小，应力变化与其他灌注阶段明显不同。在进行腹板内混凝土的灌注时，灌注顺序1中相邻工况间的应力差值为7.1 MPa；灌注顺序2中相邻工况间的应力差值为8.7 MPa；灌注顺序3中相邻工况间的应力差值为9.6 MPa；灌注顺序4中相邻工况间的应力差值为11.2 MPa。

4.3 最优灌注顺序的确定

拱肋混凝土灌注顺序的优劣不能只把位移量最小和应力值最小作为唯一的评价标准，应该综合多方面的因素进行考量。通过对不同灌注顺序下的拱肋变形和应力研究得出：在变形方面，判断灌注顺序优劣的依据是拱顶在各个工况间的位移差值变化范围小；在应力方面，最优的灌注顺序就是使混凝土灌注过程中各个工况间的应力差值变化范围小。由以上分析可知，在进行腹板内混凝土灌注时，拱肋钢管的位移和应力的变化情况较其他工况要复杂。以腹板内混凝土灌注时相邻工况间的位移差值和应力差值为例比较各灌注顺序下的拱肋变形位移以及应力变化如表6所示。

表6 各灌注顺序下相邻工况间位移及应力差值

由表6可知：在进行腹板内混凝土灌注时不同灌注顺序下相邻工况间的拱肋钢管位移差值和应力差值均不同。四种灌注顺序中拱肋拱顶在灌注顺序1下的位移差值和应力差值最小，说明拱肋在混凝土灌注过程中的位移和应力变化较平稳，为最优方案。

5 结论

通过对不同灌注顺序下拱肋变形和钢管应力的变化情况进行分析得出：

（1）不同灌注顺序对相邻工况间钢管位移差值和应力差值的变化影响不同，拱顶最大位移差值为17.5 mm，最小位移差值为5.43 mm；最大应力差值为11.2 MPa，最小应力差值为7.1 MPa。

（2）合理的灌注顺序能够使拱肋钢管位移差值和应力差值的变化范围减小。灌注顺序1中相邻工况间钢管位移差值和应力差值最小，钢管在混凝土灌注过程中位移和应力变化平稳，因此先弦管再缀板最后腹板的灌注顺序最为合理。

（3）该桥在实际施工过程中采用灌注顺序1进行混凝土的灌注施工，拱肋整体受力性能良好。本文给出的研究方法可为今后同类型混凝土灌注顺序提供相关指导。