基于劲性骨架法的下承式钢管混凝土拱桥受力分析

刘吉晗

(中设设计集团股份有限公司 南京市 210014)

劲性骨架施工是将钢管混凝土系杆拱桥的拱肋钢管、吊杆钢管及系杆骨架三者拼装成整体后采用浮吊整体吊运其到设计桥位，随后以骨架为平台进行混凝土的灌注并开展其他部件的安装施工。该工艺属于自架设施工工法的范畴，系杆劲性骨架后期同外包混凝土形成钢管混凝土劲性骨架体系而协同变形，因而采用劲性骨架法施工工艺的钢管下承式混凝土系杆拱桥潜在超载能力较强。

依托某跨越三级航道并基于劲性骨架法建造的系杆拱桥为例，结合具体施工工序探讨其受力状态和整体稳定性。

1 工程概况及构造设计

某Ⅲ级航道最小通航净空要求为60×7m，根据规划要求采用原位改建的方案一跨过河，主桥采用80m下承式钢管混凝土系杆拱，计算跨径77.5m，拱轴线为二次抛物线型，矢跨比为1/5，矢高15.5m。主桥全宽12.7m，拱肋横向间距11.5m。拱肋采用1.6m高哑铃型钢管混凝土截面，内充C50微膨胀混凝土，钢管外径0.7m，钢管及缀板壁厚14mm。系杆采用2.0m高等截面箱梁，系杆中段宽度1.2m，近拱脚加宽至1.5m；拱肋横向设4道K型风撑，全桥共架设14对吊杆，吊杆采用LZ7-55平行钢丝吊杆，顺桥向间距5.0m。

主桥系杆劲性骨架由四根L180×18mm角钢之间用横向缀条和竖向缀条连接而成，为加强骨架整体性及抗扭刚度，吊杆两侧设置由两根L75×50×8mm角钢交叉形成的系杆剪撑。临时横梁沿系杆对称布置5道。系杆劲性骨架和主拱肋钢管采用吊杆和拱脚处的外包钢板连接。劲性骨架部分构造如图1所示。

图1 劲性骨架构造示意

2 劲性骨架整体吊装施工模拟

为减少断航和碍航时间，该桥拱架采用劲性骨架搭设的施工方案，有效降低了施工期间对通航水域的影响。从施工工期、安全性、经济性角度均优于有支架施工方案。需要提醒的是，拱肋混凝土浇注时产生的水平推力需要依靠同步张拉的系杆拉索与系杆钢骨架来平衡。

具体施工工序如下：

(1)桥址处空地搭设胎架拼装主桥劲性骨架(含拱肋钢管、系杆钢骨架、吊杆钢管、斜撑、临时横梁等)，安装系杆模板、绑扎系杆钢筋，安装吊杆并张拉部分吊杆预应力作为收紧力,收紧力以带紧吊杆为原则。

(2)将拱肋及劲性骨架整体浮拖就位(靠拱脚支承点移动)，安装主墩支座并临时固定，安装风缆以利拱桥钢骨架横向及整体稳定。

(3)支座定位，现浇拱脚、安装并张拉端横梁、系杆第一批预应力钢束。

(4)泵送下拱肋钢管混凝土,应注意左右对称泵送，待拱肋混凝土达到设计强度且龄期大于4d，灌注上拱肋混凝土。

(5)浇注系杆混凝土，待系杆混凝土达到设计强度后，第二次张拉第一批系杆预应力束，拆除系杆模板、桥下支架。

(6)安装预制2、6、9、13号吊杆处中横梁，浇注横梁湿接头，待其强度达到设计强度后张拉上述横梁第一批预应力钢束。

(7)第一次张拉吊杆预应力,吊杆编号自左向右依次为1#～14#，吊杆张拉顺序7#8#、4#11#、6#9#、2#13#、5#10#、3#12#、1#14#，其张拉控制力见表1。

(8)安装其余中横梁，浇注横梁湿接头，待其强度达到设计强度后张拉上述横梁第一批预应力钢束，张拉第二批系杆预应力。

(9)安装行车道板(对称安装，横向展开),现浇中横梁二期混凝土,第二次张拉吊杆预应力,张拉顺序同第一次张拉。

(10)施工桥面板整体混凝土，张拉端横梁和中横梁第二批预应力钢束，张拉第三批系杆预应力钢束。

(11)桥面沥青混凝土铺装、安装防撞护栏；载荷试验，通车运营。

表1 系杆张拉控制力

3 静力分析

3.1 模型简化

钢管混凝土目前仍存在许多理论问题尚未解决，为简化计算，在确保满足工程精度的前提下作如下考虑：

(1)钢材和混凝土间紧密连接没有相对滑移，应力历史一致；

(2)不考虑材料、几何非线性的影响；

(3)忽略钢管混凝土拱肋截面的非线性温度场效应；

(4)腹腔内的混凝土不参与拱肋受力，仅考虑自重作用。

3.2 计算参数

拱肋采用Q345C钢，钢材容重78.5kN/m3，弹性模量为2.0×105MPa，泊松比0.3，热膨胀系数1.2×10-5。横梁、系杆均采用C50混凝土，设计强度fcd=22.4MPa，ftd=1.83MPa，混凝土容重26kN/m3，弹性模量E=3.45×104MPa。桥面板采用C40混凝土，设计强度fcd=18.4MPa，ftd=1.65MPa，混凝土容重γ=26kN/m3，弹性模量为3.25×104MPa。吊杆采用低应力防腐索体，钢丝抗拉强度1670MPa，弹性模量为2.05×105MPa。

3.3 建立有限元模型

结合该桥施工步骤并基于上述简化计算理论建立全桥有限元模型，部分施工过程模型见图2所示。

图2 施工过程模拟

3.4 结构应力验算

(1)系杆应力验算

在短期效应组合下系杆全截面受压，最大主拉应力应小于1.06MPa。系杆最大法向压应力为13.2MPa，小于规范允许的16.2MPa。持久状况标准组合系杆最大主压应力为13.2MPa，小于规范容许值19.4MPa，系杆的主压应力满足规范要求。

(2)拱肋应力验算

表2为拱肋管管内混凝土、钢管应力结果。

表2 拱肋管内混凝土、钢管应力

由计算结果可知，拱肋管内混凝土及钢管应力均满足规范要求。施工阶段过渡到运营阶段后，拱肋跨中最大钢管应力涨幅18.9%，相应的管内混凝土压应力降幅较小，受力复杂的拱脚处钢管包络应力变化最大。

4 全桥稳定性分析

系杆拱桥属于压弯结构研究范围，其稳定问题与强度问题有着同等重要的意义。考虑到施工阶段有辅助措施保证其侧向稳定，因而笔者主要针对运营阶段的结构稳定性加以讨论。鉴于篇幅限制，图3仅示出前三阶屈曲模态。

图3 前3阶屈曲模态

观察发现，前三阶模态均表现为拱肋面外失稳，一阶模态表现为拱肋面外反对称失稳，二阶模态表现为拱肋面外单侧失稳，三阶模态表现为拱肋面外对称失稳。进一步提取计算结果发现前十阶屈曲模态均未出现竖向失稳，足以可见，下承式钢管混凝土系杆拱桥的横向稳定性远弱于竖向稳定性。此外，第一阶模态稳定系数为5.7，大于规范规定的4.0，表明基于劲性骨架法施工的系杆拱桥结构具有良好的整体稳定性。

5 结论

(1)劲性骨架法能够有效改善因系杆拱桥施工而带来的交通组织困境，社会和经济效益显著。此外，钢管混凝土劲性骨架体系在运营阶段协同变形，结构超载潜力增强。

(2)采用劲性骨架法工艺进行施工，施工阶段和运营阶段的构件验算均满足规范要求。成桥状态的前三阶屈曲模态均表现为拱肋面外失稳。一阶模态稳定系数大于4.0，表明基于该工法施工的拱桥稳定性良好。