大跨度钢管混凝土劲性骨架拱桥外包混凝土方案优化

张朦朦 张谢东 秦 川

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (湖北省交通规划设计院十堰分院2) 武汉 430000)



大跨度钢管混凝土劲性骨架拱桥外包混凝土方案优化

张朦朦1)张谢东1)秦 川2)

(武汉理工大学交通学院1)武汉 430063) (湖北省交通规划设计院十堰分院2)武汉 430000)

为提高大跨度钢管混凝土劲性骨架拱桥外包混凝土施工质量，控制施工过程中主拱圈挠度值和已浇筑混凝土不受破坏，以某大跨度钢管混凝土劲性骨架拱桥为实例，应用Midas/Civil有限元分析软件，对比6工作面浇筑方案与10工作面浇筑方案的差异及优劣.应用挠度影响线叠加法和MATLAB软件编程，对较合理的方案进行优化.结果表明，10工作面浇筑方案在线形上优于6工作面浇筑方案，但施工繁琐、工期长.优化后的方案使拱顶挠度变化趋势更加平顺，且不会出现正负交替出现的现象.

桥梁工程；外包混凝土；有限元分析；钢管混凝土拱桥；挠度影响线

0 引 言

钢管混凝土劲性骨架拱桥的施工属于自架设施工法.在施工前期以钢管骨架作为承重体系，然后进行管内混凝土的灌注施工，待到管内混凝土达到强度后形成钢管混凝土劲性骨架体系，再进行拱圈外包混凝土的施工[1].自架设施工法相比于传统施工方法具有无需单独设置支架、吊装工作压力小、充分利用混凝土自身强度节约钢材等优点[2]，因而得到广泛应用.

我国大跨度劲性骨架拱桥拱圈外包混凝土常采用分环分段的施工方法，由于拱箱自身的构造特点不难做到合理地竖向分环，但是如何合理地纵向分段却是值得研究的问题.若不能合理的纵向分段，不仅会增加施工难度，还会在浇筑过程中使主拱圈出现挠度的正负反复变化，易导致已浇筑混凝土开裂[3].重庆万州长江大桥拱圈外包混凝土程序设计采用2段式、4段式、6段式进行对比择优选用，最终采用6段式浇筑方法[4].张富贵等[5]以昭华嘉陵江大桥为研究对象分析对比了8段式与16段式浇筑方案的优劣.Zhou等[6]提出以控制拱顶挠度变形量的方法计算出合理分段点.

1 外包混凝土方案

1.1 桥梁概况

某钢管混凝土劲性骨架拱桥主桥计算跨径370 m，竖直平面内矢高83.5 m，矢跨比为1/4.43，拱轴线采用m=3.5的悬链线.主拱圈平面呈X形(提篮形)，从拱脚到拱圈分叉处由两肢单箱单室拱肋组成，拱顶合并为单箱双室截面.拱圈由钢管混凝土劲性骨架外包C55混凝土构成，拱肋劲性骨架材质采用Q390C钢材，管内灌注自密实无收缩C60混凝土.拱上桥面系采用跨径组成为4×38 m+3×38 m+4×38 m的3联箱型钢-混连续结合梁，梁高为等高3.4 m.桥上线路为铁路双线，线间距为5.0 m，设计车速为200 km/h.总体布置见图1.

1.2 浇筑方案

施工待到劲性骨架拱桥内注混凝土达到设计强度后，进行外包混凝土浇筑，采用“多点均衡浇筑”的浇筑方法.纵向分段共提出2种方案供比选，方案一为全桥纵向分为6个工作面，第一工作面分为6个工作段，第二、三工作面分为5个工作段；方案二为全桥纵向分为10个工作面，第一工作面分为4个工作段，第二、三、四工作面分为8个工作段，第五工作面分为9个工作段.竖向分为三环“先底板，再腹板，最后顶板”的浇筑方式，两岸对称施工，直至合龙.方案一与方案二分段见图2，浇筑顺序见表1.

图1 大桥总体布置图(单位：m)

图2 方案一与方案二分段示意图

工况方案一浇筑顺序工况方案二浇筑顺序1对称浇筑A1,B1,C1段底板1对称浇筑A1,B1,C1,D1,E1段底板2 对称浇筑A2,B2,C2段底板,A1,B1,C1段底板参与受力2 对称浇筑A2,B2,C2,D2,E2段底板,A1,B1,C1,D1,E1段底板参与受力3～5浇筑顺序与工况2类似,以此类推,直至底板合龙3～4浇筑顺序与工况2类似,以此类推6～15腹板与顶板施工顺序与底板相同,直至合龙5对称浇筑B5,C5,D5,E5段底板,B4,C4,D4,E4段底板参与受力6～8浇筑顺序与工况5类似,以此类推9对称浇筑E9段底板,底板合龙10～27腹板与顶板施工顺序与底板相同,直至合龙

1.3 有限元计算结果

采用结构有限元软件Midas/Civil建立大桥全桥空间结构计算模型.钢管混凝土劲性骨架采用梁单元模拟，外包混凝土采用板单元模拟，全桥共1 602个节点，4 556个单元，其中梁单元3 647个，板单元909个.钢筋混凝土截面采用组合截面形式，外包混凝土采用等面积法换算成板单元.模型见图3.

图3 有限元模型

将表1中的浇筑方案定义成模型里的施工阶段进行运算，得到在每一个工况下全桥的挠度变化，见图4～5.

图4 方案一施工过程中截面挠度变化趋势图

图5 方案二施工过程中截面挠度变化趋势图

由图4～5可知，方案一与方案二浇筑过程中，1/8，1/4，3/8截面处的挠度趋势大体相同，无太大区别；跨中处挠度曲线都呈现波浪形，但是方案一中挠度正负变化要多于方案二，从此方面看出10工作面浇筑方案要优于6工作面浇筑方案.但是，在实际施工当中，6工作面的浇筑方案在工期、繁琐程度以及人力投入上要远远优于10工作面的浇筑方案，且2个方案中跨中挠度正负变化值，以及最终挠度值都相接近.因此，经过综合考虑，决定采用6工作面的浇筑方案.为解决拱顶处挠度正负变化的现象，对6工作面浇筑方式进行优化.

2 外包混凝土浇筑优化

2.1 挠度影响线叠加法

采取挠度影响线叠加法进行浇筑方案的优化.使用有限元软件进行模拟得到主拱圈的挠度影响线，同种线形的拱上个位置挠度影响线值的相互比例相同，因此可以拟合得到挠度影响线的函数解析式.对每个工况组合进行挠度影响线积分叠加，使挠度为负，得到的浇筑方案可以保证在外包混凝土施工过程中挠度方向向下，不会出现正负变化.

图6为1/8，1/4，3/8，拱顶截面的挠度影响线，由于外包混凝土施工之前拱脚先浇段已经完成，因此挠度影响线的范围为拱脚先浇段之间部分.

图6 相关截面的挠度影响线图形

由图6可知，1/8，1/4，3/8截面的挠度影响线大体成反对称形状，在使用多点均衡浇筑法进行对称浇筑时，可以明显改善1/8，1/4和3/8截面处的挠度变形.而拱顶截面挠度影响线为正对称图形，对称浇筑则会加剧拱顶截面的挠度变形，因此，需要优化浇筑方案对拱顶挠度变形进行改善.

运用大型数学软件MATLAB的非线性曲线拟合功能[7]，对拱顶挠度影响线进行拟合得到其函数解析式为8次多项式.

(1)

式中：p1=-0.000 831 2；p2=-7.808×10-10；p3=0.007 348；p4=1.688×10-8；p5=-0.023 67；p6=-5.235×10-8；p7=0.030 92；p8=3.413×10-8；p9=-0.010 38.

拟合图形见图7，其中R=0.998 6，拟合结果真实可靠.

图7 拱顶挠度影响线拟合图形

则该截面实际挠度值为

(2)

假设施工中将主拱圈分为n个工作面进行浇筑，则ai，bi(i=1,2,…,n)为某一工况下各浇筑段起止位置x坐标，则该工况下截面的挠度值为

(3)

文中劲性骨架拱桥外包混凝土施工将主拱圈分为6个工作面进行浇筑，将运算方法进行编程，运用MATLAB循环语句功能，使得挠度值恒小于零，便可得到优化后施工方案使得跨中截面始终处于下降状态，不会出现挠度正负变化.

2.2 计算结果

通过计算的到新的分段方式和浇筑顺序，因此在浇筑腹板时改变分段方式，将第3工作面等分为6个工作段，且适当减小A1底板的长度，增大C1底板的长度，浇筑方案见表2.

将优化后的浇筑方案定义进行有限元计算，提取每个施工工况下拱顶截面的挠度值见图8.

图8 优化后方案拱顶挠度值

由图8可见，在主拱圈外包混凝土过程中拱顶截面处一直处于下挠状态，且线形变化平顺.

表2 外包混凝土优化方案浇筑顺序

4 结 论

1) 大跨径劲性骨架拱桥外包混凝土浇筑方案中，10工作面浇筑方式在线形上优于6工作面浇筑方式.特别是拱顶截面，正负挠度反复出现的次数少，且线形相对平滑.

2) 采用多点均衡浇筑方式施工时，改变分段长度和浇筑顺序对1/8，1/4，3/8等截面的挠度变化影响较小.其挠度影响线接近于反对称形式，对称浇筑能改善挠度值曲线.

3) 通过改变分段长度和浇筑顺序，可以使拱顶挠度变化值恒小于零，且挠度值曲线变得平顺，避免了挠度正负变化，有利于结构受力和已浇筑混凝土的保护.

4) 由优化后的拱顶挠度值可以看出，虽然优化方案改善了拱顶截面的挠度变化趋势，但是也增大了最终挠度值.

[1]顾安邦.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，2012.

[2]郑皆连.在劲性拱骨架上实现混凝土连续浇筑的探讨[J].重庆交通大学学报，2011，30(增刊2):1099-1105.

[3]黄泽权，梅盖伟，杨兴.拱桥有支架施工加载程序优化设计[J].重庆交通大学学报，2009,28(1):23-25.

[4]杨峰.大跨劲性骨架混凝土拱桥外包混凝土浇筑分段研究[D].重庆：重庆交通大学，2013.

[5]张富贵，张永水，董义，等.大跨劲性骨架拱圈外包混凝土浇筑方案[J].重庆交通大学学报，2012,31(2)：210-214.

[6]ZHOU S X, ZHANG M, LIU B, et al. Determination of cast-in situ section lengths of reinforced concrete arch bridge in arch centering method[J]. Advanced Materials Research,2011,1269(243)：1935-1940.

[7]唐家德.基于MATLAB的非线性曲线拟合[J].计算机与现代化，2008(6)：15-19.

Outsourcing Concrete Pouring Scheme Optimization of Large Span CFST Stiff-skeleton Arch Bridge

ZHANG Mengmeng1)ZHANG Xiedong1)QIN Chuan2)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(ShiyanBranch,HubeiCommunicationsPlanning&DesignInstitute,Wuhan430000,China)2)

In order to improve the outsourcing concrete pouring construction quality for large span CFST Stiff-skeleton arch bridge and control the deflection of the main arch ring in the construction process, this paper analyzes and compares the model with six construction sections and model with ten construction sections by using Midas/Civil finite element analysis software. The outsourcing concrete pouring scheme is then optimized by the superposition method of the deflection influence line and MATLAB programming. The results show that the ten construction sections pouring scheme is better than the six construction sections pouring scheme in terms of lines, but more troublesome in construction. Besides, the construction period of the ten sections pouring scheme is much longer than that of the six sections pouring scheme. The optimized pouring scheme enables the deflection of vault smoother such that the positive and negative alternating of the deflection would not occur.

bridge engineering; outsourcing concrete; finite element analysis; CFST arch bridge; deflection influence line

2016-80-20

U448.22 doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.05.023

张朦朦(1990- )：男，硕士生，主要研究领域为桥梁结构分析与施工控制