钢管混凝土拱桥混凝土灌注索力优化研究

毕硕松 朱建明 张恒通

(1.交通运输部公路科学研究院北京新桥技术发展有限公司，北京 100088； 2.交通运输部路网监测与应急处置中心，北京 100029)

1 概述

某中承式钢管混凝土拱桥，主桥跨度为330 m，桥面梁为“工”型格子梁，桥面板为钢—混凝土组合桥面板，主桥吊杆间距为13 m。研究该桥拱圈内混凝土灌注过程中主动调整扣索索力对结构应力、位移及稳定性的影响，进行灌注阶段无扣索的施工阶段分析结果，调载控制目标为：1)在钢管混凝土灌注全过程中，拱顶不上翘，拱脚3/8L处不过多下挠，使全拱均匀变形；2)使灌注完混凝土的钢管的初应力较不调载的情况更小。

从龚成立的研究成果看出，主动调索后应力分布并不均匀；林春姣、郑皆连的研究成果是针对分段、多工作面混凝土浇筑进行研究，该研究不适用于钢管混凝土拱桥。查看几篇相关研究文献，有对劲性骨架拱桥进行混凝土浇筑期间扣索索力调整，有对钢管混凝土拱桥混凝土灌注期间进行调整研究，但施加扣索力会导致扣点附近应力突变、分布不均匀，而在混凝土灌注期间未主动施加扣索索力调整的话，拱肋钢管及混凝土应力分布较为均匀。

采用MIDAS/CIVIL建立施工阶段模型，如图1所示。其中混凝土灌注模拟采用施工阶段联合模型，分析时考虑到实际混凝土为无收缩自密实混凝土，主要提取成桥阶段累计应力、位移及灌注混凝土阶段累计位移及应力。

2 成桥阶段应力结果

提取出成桥阶段拱肋上下弦杆钢管和混凝土的上下缘应力值。从中总结其特点及规律，如图2，图3所示。

1)按照目前灌注顺序，下弦杆钢管应力较为均匀，为-100 MPa～120 MPa之间；而上弦杆，混凝土的灌注顺序为先灌注成桥状态下，拱脚部位上弦杆钢管应力为-22 MPa，而L/4～L/2钢管应力分布严重不均匀，而下弦杆钢管应力分布较为均匀；上弦杆混凝土应力分布均匀，下弦杆混凝土分布却不均匀，经分析，原因应为混凝土参与受力时间滞后一个施工阶段的问题；

2)钢管内混凝土受力规律落后于该钢管的受力，因为龄期及强度的关系，基本上在本阶段不承重，从下一阶段才开始参与受力；

3)上弦杆钢管应力储备较大，尤其是拱脚～L/8区间内。

3 施工阶段应力结果

施工阶段仅提取了混凝土应力，在混凝土灌注阶段，混凝土容易出现拉应力，从取得的结果来看，最大拉应力为0.571 MPa，发生在灌注右侧下弦外侧管时产生，且位置发生在右侧上弦杆内侧的跨中处，如图4,图5所示。

从这些应力结果中能够看出，拉应力出现的位置主要是在拱肋的合龙段，随后逐渐转为压应力，成桥后压应力分布均匀。

4 混凝土灌注阶段结构变形

为仔细分析混凝土灌注阶段拱肋整体产生的变形情况，现对一个混凝土钢管内混凝土灌注细分为4个阶段(1～4，其中“1”代表“拱脚～1/8L”，“2”代表“1/8L～1/4L”，“3”代表“1/4L～3/8L”，“4”代表“3/8L～1/2L”，另一半拱肋按对称处理)，先提取出各个灌注阶段的拱肋整体变形情况，具体如图6～图9所示。

1)从变形情况看，由于不是左右侧拱肋同时灌注混凝土，则左右侧拱肋变形不对称，灌注过程中相对差值较大，尤其是在拱顶和L/4处。最大阶段步骤位移为-27.7 mm。

2)刚开始浇筑混凝土拱肋钢管位移较大，随着钢管内混凝土逐渐上强度，后期浇筑混凝土产生的位移逐渐变小。

3)在混凝土灌注期间，主拱肋产生的变形绝对值和相对值均不大。

5 结论与展望

从上述结果看，如进行调整，其目标就是成桥阶段上、下弦杆钢管及混凝土应力分布更为均匀。具体思路为建立模型，包含不同根扣索及张拉索力，按照影响线及影响面积等理论确定影响较大的扣索，并注意考虑扣索的破断力，选择相应扣索，与未调索方案对比施工阶段及成效阶段各个方案的合理性。