缀板内填混凝土对哑铃型钢管混凝土拱桥受力的影响分析

唐　鹏，宫　赛

（南阳理工学院，河南 南阳 473004）

缀板内填混凝土对哑铃型钢管混凝土拱桥受力的影响分析

唐鹏，宫赛

（南阳理工学院，河南 南阳 473004）

哑铃型钢管混凝土拱桥具有良好的整体稳定性和变形刚度，但由于哑铃型截面的特殊结构，缀板处的受力较为复杂。文章以哑铃型钢管混凝土拱桥为工程背景，采用MIDAS/Civil有限元模型对其缀板内注混凝土和缀板内不浇注混凝土的2种浇注方式进行对比分析，结果表明，缀板内不浇注混凝土的方式满足施工、成桥的安全要求。

钢管混凝土拱桥；缀板；应力分析；变形

钢管混凝土拱桥我国发展较早，在设计、施工等方面积累了丰富的经验和理论知识［1-2］。然而由于哑铃型构架的特殊构造，缀板处的受力较为复杂，为控制缀板浇筑混凝土过程中的结构应力和变形，文献［3］对设置内拉杆、采用H形钢加劲、对缀板内局部浇注混凝土3种方式进行了分析。本文对缀板内浇注混凝土和不浇注混凝土2种情况下钢管混凝土拱桥的力学性能进行分析［4-5］。

1 工程概况

1.1 桥梁结构及有限元模型

该钢管混凝土拱桥是临潼骊山大环线上的重要桥梁，主体结构为上承式钢管混凝土桥（见图1），拱桥拱肋跨径为132 m，矢跨比为f/l=1/6，拱轴系数为m=1.32，计算矢高为f =22 m。主桥上承式悬链线钢管混凝土无铰拱，全桥共有南、北两幅桥组成，每幅桥横桥向有4片拱肋，拱肋中距为4.5 m，用空钢管横撑连接拱肋。

计算时假定钢管与混凝土之间无缝隙且粘结良好是密实的，缀板内混凝土压力呈均匀分布；中拱肋截面采用有限元施工阶段联合截面进行模拟，按照线弹性计算；等上一阶段浇注的混凝土达到强度后才能灌注下一道混凝土。

图1 王坡沟钢管混凝土拱桥总体布置图（单位：cm）

拱桥主体结构采用Q345钢材，钢箱梁、造型钢骨架及造型钢板采用Q235钢材。钢管拱肋浇注的混凝土和桥面铺装均采用C50微膨胀混凝土［6］，有限元模型见图2。

图2 哑铃型拱肋及立柱有限元模型

1.2 浇注方式

浇注方式1：上钢管、下钢管、缀板均浇注混凝土，按照11→12→21→22→31→32顺序进行浇注，见图3。

图3 混凝土浇注顺序

浇注方式2：上、下钢管弦钢管均浇注混凝土，而缀板内不浇注混凝土。浇筑方式2的拱肋受力与浇注方式一的前2步相同，但由于缀板不浇注混凝土，从第3步开始浇注下钢管混凝土，按照11 →12→31→32顺序浇注。

2 施工阶段与成桥阶段受力分析

2.1 施工阶段受力分析

施工阶段钢管拱肋位移、轴力、弯矩和应力计算结果见图4～图7，拱肋混凝土应力见图8。

图4 钢管拱肋竖向位移对比

图5 钢管拱肋轴力分布对比

图6 钢管拱肋弯矩分布对比

图7 钢管拱肋钢管应力分布对比

从图4可以看出，在2种不同的浇注方式下，从拱脚处到拱肋的L/4处之间，拱肋的竖向位移变化较为一致，竖向位移在拱肋L/4处到拱顶之间出现一定的差值，在拱顶处达到最大。通过计算，浇注方式1比浇注方式2位移量大5.7%左右。

图8 钢管拱肋混凝土应力分布对比

从图5可以看出，在2种不同的浇注方式下，钢管拱肋的轴力除数值不同外，整体分布趋势较为相同。在拱顶处，轴力达到最大值，轴力值从拱顶到拱脚处的逐步变小。通过计算，浇注方式1钢拱肋轴力要比浇注方式2大13.1%左右。

从图6可以看出，在2种不同的浇注方式下，除拱脚截面和拱顶处有明显的弯矩差别外，总体上钢管拱肋的弯矩趋势较为一致。由于拱脚截面和跨中段拱肋截面的构造存在差别，所以弯矩在拱脚处出现了截面突变。通过计算，浇注方式1拱脚处的负弯矩比浇注方式2大9.1%左右；在拱顶位置正弯矩比浇筑方式2大12.7%左右。

从图7～图8可以看出，在2种不同浇注方式下，钢管混凝土拱肋钢管应力分布趋势较为一致，浇注方式1要比浇注方式2的应力偏大6%左右；与钢管应力分布一样，钢管混凝土拱肋混凝土应力分布除应力值不同外，应力分布总体趋势较为一致，浇注方式1要比浇注方式2的应力偏大26.7%左右；总体上钢管混凝土拱肋浇注方式1的应力要比浇注方式2大。

2.2 成桥阶段应力分析

图9为二期荷载作用后钢管混凝土拱桥拱肋产生的竖向位移。拱肋的竖向位移在2种不同浇注方式下的线形变化趋势一致，拱肋竖向位移在拱顶处达到最大，浇注方式1比浇注方式2的位移偏量大0.6%左右。

图9 钢管拱肋竖向位移对比

在成桥过程中，钢管混凝土拱肋是拱桥的主要承载构件，因此其受力情况与拱桥的安全性能密切相关。图10为考虑拱桥在恒载、活载作用以及2种不同浇注方式下，钢管拱肋的轴力分布，轴力均在拱顶处达到最大，轴力从拱顶到拱脚逐渐减小且呈对称性。由于拱肋上的立柱承受桥面荷载，所以在轴力图在其位置处出现了一些小的台阶。浇注方式1与浇注方式2浇注相比轴力值大6%左右。

图10 钢管拱肋轴力分布对比

从图11可以看出，在2种不同浇注方式下，钢管拱肋弯矩分布线形较为一致，没有出现太大的差值。弯矩从拱顶到拱脚逐渐减小且呈对称性，弯矩在拱肋L/4处出现了截面突变。同样由于拱肋上的立柱承受桥面荷载，在其位置处出现了一些小的台阶。

图11 钢管拱肋弯矩分布对比

图12～图13是在2种不同浇注方式下钢管和混凝土的应力对比分布情况，从图中可以看出钢管的轴向应力情况比较吻合，混凝土应力情况也较一致，浇注方式1与浇注方式2的应力偏大在3.6%左右［7-8］。

图12 钢管拱肋钢管应力分布对比

3 经济性对比

基本材料费在工程总造价费用中占据相当大的一部分，材料的使用直接关系到工程的经济性的高低。通过计算，实例中缀板内混凝土的浇注量占总浇注量的13.7%，在保证桥梁在施工阶段、成桥阶段运营阶段的安全性的基础上，缀板内不浇注混凝土可以节约部分工程费用，提高了桥梁建设的经济性。

图13 钢管拱肋混凝土应力分布对比

4 结语

通过有限元计算及对比分析，缀板内不浇注混凝土即浇注方式2较好，既能满足施工、成桥的安全要求，还可以降低工程造价，提高工程经济性，减轻结构自重，加快工程的施工进度。下一步可以考虑材料非线性和几何非线性情况下，缀板内不浇注混凝土对拱桥的施工、成桥受力的影响，为今后工程的实际应用提供参考。

［1］顾安邦，范立础.桥梁工程［M］.北京：人民交通出版社，2000. ［2］赵文忠，王丙兴，高俊亮，等.钢管混凝土拱桥吊杆施工技术优化研究［J］.公路交通技术，2015（2）：94-98.

［3］徐波.哑铃型钢管混凝土拱桥爆管成因分析与构造改进研究［D］. 成都：西南交通大学，2008.

［4］陈宝春.钢管混凝土拱桥应用与研究进展［J］.公路，2008 （11）：57-66.

［5］陈宝春.钢管混凝土拱桥（第二版）［M］.北京：人民交通出版社，2006.

［6］钟善桐.钢管混凝土结构（第3版）［M］.北京：清华大学出版社，2003.

［7］蔡绍怀.现代钢管混凝土结构［M］.北京：人民交通出版社，2003.

［8］GB50017—2003钢结构设计规范［S］.

Stress Influence Analysis for Batten Plate of Dumbbell Shaped Concrete Filled Steel Tube Arch Bridge

Tang Peng， Gong Sai
（Nanyang Institute of Technology， Nanyang 473004， China）

Dumbbell concrete-filled steel tube arch bridge has good overall stability and deformation， but beacause of special structure of dumbbell section， the stress of batten plate is complex. Taking a dumbbell concrete-filled steel tube arch bridge as an engineering background， two kinds of casting way are analyzed using MIDAS/Civil finite element model. The reasearch results show that batten plate without concrete meets the requirments of construction and bridge.

concrete-filled steel tube arch bridge； batten plate； stress analysis； deformation

U448.22+2

A

1672-9889（2016）01-0039-03

唐鹏（1987-），男，河南南阳人，硕士，研究方向为桥梁与隧道工程。

2015-05-25）