钢管拱肋混凝土灌注过程模拟分析

张全洋

(石家庄铁道大学 河北 石家庄 050010)



钢管拱肋混凝土灌注过程模拟分析

张全洋

(石家庄铁道大学 河北 石家庄 050010)

钢管拱肋焊接合龙后，就到了灌注阶段，此阶段是钢管混凝土拱桥施工过程的重要环节。本桥拱肋采用双肢哑铃型截面，鉴于截面形式的需要以及灌注阶段混凝土方量较大，了解此过程结构的受力、变形和稳定是十分必要，本文利用施工阶段联合截面中的用户截面对钢管拱肋混凝土灌注过程模拟分析进行了研究。

用户截面;模拟分析

一、桥梁结构概况

南堡跨世纪路特大桥，系梁全长82.5 m，计算跨径80 m，顶板宽17.2 m，底板宽14.8 m，梁高2.5 m。拱肋计算跨度为80 m，矢跨比1/5，立面投影矢高15.844 m，拱肋横截面采用哑铃形钢管混凝土截面，截面高度h=2.5 m，钢管直径为1.0 m。吊杆垂直拱弦线平行布置，间距5 m，共13对，横向内倾8度。拱桥立面图、拱肋截面图分别见图1～2。

图1 拱桥立面图(单位：cm)

图2 拱肋截面图

(单位：mm)

二、拱肋单元模拟

本文采用Midas/Civil中的施工阶段联合截面来模拟拱肋的灌注施工过程，联合截面按照其联合形式分为标准截面、一般截面和用户截面三种。标准截面只适合程序默认自带的截面，而哑铃型截面不是程序所自带的，其只能采用后两者截面形式。一般截面适用于子截面数量为2～3个，而用户截面的子截面数量没有限制。考虑到哑铃型截面形式及实际施工的特点，将其分为4个子截面(外钢管、上管混凝土、下管混凝土和腹板混凝土)，只能采用用户截面形式(见图3)。

(a)一般截面 (b)用户截面

一般截面的子截面材料、叠合阶段和材龄确定后，子截面的理论厚度h、刚度可自动算出，而用户接截面的子截面材料、叠合阶段和材龄确定后，需要计算子截面特性值Cyi、Czi、理论厚度h和刚度。子截面特性值和理论厚度h的计算都相对简单，而刚度的计算的较为复杂。这时可以利用一般截面，将我们需要计算的截面作为一般截面中的一个子截面，利用一般截面可以自动计算的功能得出子截面的刚度值，然后添加到用户截面中。采用这种方式计算不但高效，而且准确无误。

三、灌注过程模拟分析

在拱肋钢管混凝土灌注过程中，将液态混凝土以梁单元荷载的形式施加到模型上，完全忽略其刚度，待混凝土凝固，拥有刚度后参与受力时，将先前的梁单元荷载钝化，此时将混凝土和拱肋钢管以联合截面的形式进行组合。定义其施工阶段见表1。

表1 三次灌注式施工阶段的定义

钢管混凝土拱桥灌注施工过程中，拱肋的应力和变形是评价灌注质量的重要指标。由于结构对称，取小里程半跨结构，从应力、变形两个方面进行模拟分析，见表2～3。

表2 拱肋位移表 mm

注：表中位移，向上为正，向下为负。

表3 拱肋应力表 MPa

注：表中应力，拉应力为正，压应力为负。

四、结论

(1)灌注下弦管时，混凝土的荷载全部空钢管来承担；灌注上弦管时，混凝土荷载由空钢管和下弦管混凝土共同承担，截面刚度增大；因而在上下弦管混凝土荷载相同的情况下，下弦管混凝土引起的拱肋挠度较大，L/2截面最为明显。

(2)随着混凝土的参与受力，受力截面逐渐增大，在相同荷载作用下，拱肋应力增量逐渐减小，拱脚处最为明显。

(3)在灌注过程中，L/2截面挠度最大，拱脚截面应力最大，为施工监控的重点指明了方向。

(4)用户截面的应用，能够较好的模拟哑铃型拱肋截面的灌注过程，并利用一般截面能够快速准确的计算用户截面所需的子截面刚度。

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