劲性骨架在混凝土拱桥中的应用和模拟方式研究

米曦亮，栗 勇

（北京市市政工程设计研究总院，北京市 100082）

0 引言

拱桥常见的施工方法主要有支架施工法、缆索吊装施工法、转体施工法和劲性骨架施工法[1]。劲性骨架施工法是以钢管和型钢组成空间桁架结构,先分段制作成钢骨架,骨架拼装合龙成拱后压注钢管内混凝土,混凝土达到强度后就形成钢管混凝土劲性骨架,再以其为支架分环分段浇筑拱肋混凝土，最终形成整个拱圈。

劲性骨架施工方法主要优点如下：（1）骨架自重较小，有利于实现大节段的制作安装，快速拼接成拱后即可作为所有后续拱肋施工步序的平台，实现了无支架或少支架施工；（2）拱圈和拱肋全截面施工以分环分段的方式来分解，先期浇筑的混凝土达到强度后参与受力，与劲性骨架共同承担后期混凝土重量，减少骨架的用钢量和造价；（3）充分利用劲性骨架的压弯受力特性，在弦杆内压注混凝土，混凝土与骨架钢管共同作用，骨架的刚度和承载能力都得到了较大提高；（4）劲性骨架不仅作为施工支架，被混凝土包裹后亦可在结构运营阶段参与受力，实现了钢材的充分利用。

因为上述诸多优点，钢管混凝土劲性骨架拱桥成为近些年来大跨径拱桥常用的结构型式及施工方法之一。420 m跨径的重庆市万州长江大桥（1997年建成）、312 m跨径的邕宁邕江大桥（1998年建成）、140 m跨径的吊钟岩大桥（2004年建成，铁路拱桥）等都是其中的典型代表。

1 工程概况

1.1 主桥总体布置

福建省某新建跨江大桥主桥采用中承式拱桥，斜桩基础。其计算跨度为180 m，计算矢高45 m，矢跨比为1/4，拱轴线采用悬链线，拱轴系数为2.0。桥面宽31 m，横向设两片拱肋，拱肋采用混凝土箱型箱形断面，宽2.5 m，在跨中120 m范围内，拱肋等高为3.0 m；两侧各30 m范围内，拱肋沿拱轴线两侧均匀加宽至6.0 m，见图1。

图1 桥梁立面布置图（单位：m）

1.2 劲性骨架布置

由于河道主槽水量较大，枯水期短，如采用支架现浇施工，需在河道中设置临时墩并搭设拱架，临时墩受水流浸泡和冲击的时间长，存在较大的风险。同时，临时墩和拱架高度达到45 m，在其上进行大体量的混凝土浇筑施工，临时结构自身的稳定性也存在问题。因此，拱肋施工采用先架设劲性骨架，再分段分层浇注混凝土的方式，避免了长时间大面积设置临时支架，施工的安全性更高，对河道阻水也不会有太大影响。

劲性骨架采用钢管和型钢组成，总体布置见图2。

图2 劲性骨架立面布置图（单位：cm）

劲性骨架在拱顶、与拱肋实腹段相接的拱脚处断面见图3。

上下弦杆为φ450 mm×14 mm厚钢管，内灌C50微膨胀混凝土；腹杆采L100×63×10角钢，上、下平联采用L75×50×8角钢，腹杆、上、下平联、弦杆之间的连接通过厚12 mm连接板实现，所有连接均为焊接，所有钢构件均采用Q345qC钢制作。

图3 劲性骨架断面图（单位：结构尺寸cm，钢材参数mm）

1.3 拱肋施工步序

劲性骨架的安装及拱肋混凝土的浇注顺序对于骨架的内力和变形起着决定性的作用，详细施工步序如下：

（1）搭设临时墩，分段吊装、拼接劲性骨架，合拢；

（2）拆除临时墩，自两端拱脚同时向拱顶压注上弦杆混凝土；

（3）上弦杆混凝土压注完7 d后，且强度达到标准强度后压注下弦杆混凝土；

（4）下弦杆混凝土压注完7 d后，且强度达到标准强度后开始安装模板，分段、分层依次浇注底板、腹板、顶板混凝土。

2 劲性骨架模拟方式讨论

劲性骨架施工阶段模拟计算最大的复杂性在于：劲性骨架先作为施工支架，再压注弦杆内混凝土，然后逐步被拱肋混凝土包裹,结构的力学模型、加载方式及一些基本参数都在不断地变化。劲性骨架为常见的桁架结构，可以用常规的空间梁系模拟，但拱肋混凝土浇注以后，劲性骨架被混凝土包裹,形成“劲性混凝土”或称“型钢混凝土”构件。这种构件在其极限荷载80%之前，两种材料可以共同工作,协调变形[2]。

目前在常规的劲性骨架施工分析主要有三种模拟方式：（1）将劲性骨架按刚度等效的方法简化为薄壁箱形截面，后期拱肋混凝土达到强度后转化为受力构件，刚度递增[3]；（2）以空间梁系模拟劲性骨架，用板单元分别模拟底板、腹板和顶板，板单元刚度只计加浇混凝土的刚度，弦杆的刚度不变，两种单元重叠，共用节点[4][5][6]；（3）以空间梁系模拟劲性骨架，以实体单元模拟拱肋混凝土，实体单元以共用节点的方式围绕弦杆梁单元生成[7]。第一种方式无法得到准确的骨架杆件尤其是平联杆内力，不能对施工过程的控制形成有效指导，使用较少；第二种方式通过分步激活各部分混凝土板单元，较为真实地模拟施工过程，能够得到施工阶段和使用阶段骨架杆件、拱肋混凝土各部分的内力，能够有效地指导设计和施工，在实际工作中采用较多；第三种方式最为精细准确，但模型相对复杂，结果提取也有难度，主要在研究中使用。

上述第二种模拟方式，即梁－板组合模型，存在的问题主要是梁单元和板单元仅在节点处的位移协调,节点之间两种单元是独立的，位移并不协调[5]。这种方法的精度就取决于节点的疏密，即单元划分的大小，而单元的大小通常又与骨架杆件分节长度一致，大多在2 m左右。按这样的单元划分，模拟精度究竟如何，一般文献中并没有研究，下文分别按第二、三种模拟方式建立梁－板组合模型和梁－实体组合模型，以梁－实体组合模型结果对梁－板组合模型的准确性进行验证。

2.1 模型概况

拱肋混凝土和劲性骨架的实际受力主要表现为压弯，为真实地模拟其受力特性，取长度22 m、倾角45°的结构节段进行施工阶段计算，结构基本参数稍作简化。

结构基本参数：上下弦杆均为Φ450×14mm钢管，管内已压注C50微膨胀混凝土。直腹杆和斜腹杆为L100×10 mm截面，平联杆、斜联杆及内联杆均为L75×8 mm截面。底板采用C50混凝土，钢管及型钢采用Q345qc。

模拟施工阶段：阶段1，劲性骨架安装，弦杆内混凝土达到强度，参与受力，弦杆端部固结约束；阶段2，底板混凝土浇筑，其自重及模板重量以集中力形式加在骨架节点上，弦杆端部固结约束；阶段3，底板混凝土达到强度，参与受力，腹板混凝土浇筑，其自重及模板重量以集中力形式加在骨架节点上，弦杆和底板端部固结约束。

采用有限元软件Midas/Civil分别建立梁－板、梁－实体组合模型，见图4～图6。

图4 梁－板组合模型图

图5 梁－实体组合模型图

图6 梁－实体组合模型局部详图

梁－板组合模型说明：

所有钢结构杆件均采用梁单元模拟，截面、材料特性均按实际输入。底板混凝土采用板单元模拟，板宽1.7 m（劲性骨架横向宽度），板厚按实际加浇混凝土的抗弯刚度换算为0.75 m；底板与下弦杆、腹杆仅在分节处共用节点，节间二者独立。

梁－实体组合模型说明：

上弦杆、腹杆和联杆等钢结构杆件均采用梁单元模拟，下弦杆及底板混凝土采用实体单元模拟，截面、材料特性均按实际输入；腹杆伸入底板混凝土中，与相接处实体单元节点以刚性连接形成刚域。

2.2 计算结果比较

对腹板浇筑阶段两种模型的变形，混凝土及钢材应力进行比较，见表1～表3及图7。

表1 腹板浇筑阶段结构位移对比表（单位：mm）

表2 腹板浇筑阶段底板和弦杆应力对比表（单位：MPa）

表3 腹板浇筑阶段骨架杆件轴向应力对比表（单位：MPa）

从上面的结果可以看出，在考虑施工过程的情况下，两个模型计算得到的位移基本一致，混凝土底板和骨架杆件应力的差值基本在10%以内。考虑到劲性骨架的设计主要由刚度和稳定性控制，一般构件的应力水平不高，因此，可以认为梁－板组合模型的精度足够，模拟方式可信。

3 结语

劲性骨架的施工阶段模拟计算因其结构参数的不断变化而具有一定的复杂性，较多的工程中采用梁－板组合模型进行分析计算，而对存在的节间梁、板节点位移不协调问题并未深入探讨。本文分别通过建立梁－板组合模型、梁－实体组合模型对骨架节段的施工阶段进行了模拟计算，以公认精度较高的实体计算结果对梁－板组合模拟方式进行了验证。

图7 腹板浇筑阶段底板混凝土正应力图（单位：kPa）

[1]顾安邦.桥梁工程（下册）[M].北京:人民交通出版社,1999.

[2]GBJ17-88,钢结构设计规范[S].北京:中国计划出版社,1988.

[3]刘孝辉,许晓峰,等.云南化皮冲180m钢管混凝土劲性骨架拱桥设计[J],公路交通科技,1999(1):7-11.

[4]赵雷,卜一之.钢管砼劲性骨架I型肋拱桥施工阶段结构计算[J].重庆交通学院学报,2000,19(1):11-16.

[5]王星桥,唐黎明.巴东无源洞大桥主拱设计——劲性骨架在施工阶段的结构计算[J].桥梁建设,1998(1):48-51.

[6]贺晓川.劲性骨架混凝土拱桥施工阶段仿真分析[D].武汉理工大学硕士论文,2007.

[7]王业飞.劲性骨架混凝土拱桥施工稳定性分析[J].桥梁建设,2011(3):22-25.