钢管劲性骨架混凝土拱桥稳定性分析

吴杰

(重庆交通大学，重庆400000)

近年来钢管混凝土劲性骨架拱桥在中国飞速发展，它是采用缆索吊装技术悬臂拼装劲性骨架，待得劲性骨架合龙之后，灌注弦管内混凝土，再利用钢管混凝土作为劲性骨架作为施工支架，在其上铺设模板布置钢筋按照施工顺序分环分段浇筑拱圈混凝土，一般先多点均衡浇筑底板混凝土，待得底板混凝土形成刚度之后，在浇筑腹板与顶板，底板与劲性骨架共同承担混凝土浇筑时的施工荷载及混凝土湿重荷载，最终形成劲性骨架混凝土拱圈。这种结构合理的利用钢管和混凝土两者材料的特性，克服了普通混凝土拱肋自重过大造成的施工困难问题，节约了采用强大的缆吊系统的费用，并且结构刚度大，跨越能力强，适用于我国地质条件较好的峡谷和山谷地区。随着钢管混凝土劲性骨架拱桥跨度的增大,劲性骨架施工方法在实际施工当中的运用, 在施工过程中分析劲性骨架的弦管应力、混凝土应力、主拱线性与稳定性,保证劲性骨架可靠工作是工程师们尤为关注的问题。稳定破坏是指结构内部的抵抗力与荷载之间发生了不稳定的平衡状态，导致结构的变形急剧增大发生破坏，故稳定问题属于结构或某个构件的变形问题[1]。

1 稳定性分析

1.1 劲性骨架拱桥施工稳定性

劲性骨架拱桥在施工过程中,当浇筑底板混凝土时,混凝土湿重荷载全由劲性骨架承担,此时整个稳定性能最差。随着已浇筑的混凝土具有刚度之后不同程度地参与受力, 其结构的稳定性得到了提高, 但当浇筑顶板混凝土时荷载全由劲性骨架与形成刚度的底板和腹板混凝土共同承担,这时的稳定性有可能是较差的。对于由分环分段浇筑形成拱箱的劲性骨架拱桥, 应根据施工过程计算其稳定性。

1.2 劲性骨架拱桥施工稳定性影响因素

劲性骨架拱桥的失稳与一般拱桥的失稳略有差距, 劲性骨架和混凝土板的受力是根据施工工序叠加的, 每次加载的承担荷载的结构都不尽相同,导致劲性骨架弦杆和腹杆的应力不均匀。很可能在结构整体失去稳定性之前, 已发生局部弦杆失稳。所以我们在计算施工过程的稳定性时,必须考虑各杆件的受力。跨度很大的劲性骨架结构又相对自重较轻的拱圈在分环分段浇筑混凝土时,结构变形对内力的影响不能忽略不计,且各次加载所产生的位移也是非线性的,此即几何非线性，因此我们在理论计算时也需要考虑几何非线性。劲性骨架拱桥在不同施工阶段，在劲性骨架进行悬臂拼装过程中，难以避免的存在施工误差，使得拱桥拱肋产生高程误差，成桥后桥梁轴线和设计轴线出现偏差。结构初始缺陷对桥梁结构稳定性的影响分析是必须进行的[2]。劲性骨架拱桥作为一种高次超静定结构，温度变化对结构力学行为的影响也是要考虑的因素。

2 工程概况

某主拱圈为净跨径200m 上承式劲性骨架钢筋混凝土箱拱，净矢跨比1/5，主拱轴线为悬链线，拱轴系数m=1.988。桥梁全长284.3m，桥面全宽12m。主拱圈采用钢管混凝土劲性骨架，拱圈分为18 个节段，节段长约12m，拱轴线范围内均为等截面，拱圈高360cm，宽850cm。

该桥采用缆索吊装劲性骨架, 然后往钢管由下往上灌注C80自密实混凝土,待混凝土凝固后再分环分段浇筑外包混凝土,最后施工拱上立柱肋外包混凝土采用“三环六面”法施工。“三环”即将主拱截面沿拱轴分作底板、腹板和顶板三环。每次施工一环，每一环采用多点均衡浇筑, 下一次施工必须在上一次施工的混凝土养护一个龄期后进行，使得浇筑完的混凝土与劲性骨架共同承担新浇筑混凝土的湿重荷载。六面即将每一环沿主拱圈分做六段,浇筑混凝土时, 每一段在前一工作段凝固混凝土的基础上同时施工,分多次浇筑完毕,最后完成该环混凝土的浇筑。

3 模型计算

弦管、横联、平联均采用梁单元，腹杆、外包混凝土采用板单元，扣索采用桁架单元，横隔板采用集中力模拟，顶底板倒角处混凝土重量以均布荷载模拟。依次建立节点、单元并定义材料、截面、厚度、边界条件、荷载方案、施工阶段等，建立MIDAS/Civil 分析模型图1 所示。

图1 Midas/civil 模型

在实际施工过程中，我们必须考虑劲性骨架在最大悬臂状态下的稳定性，根据规范《公路桥梁抗风设计规范》计算出风荷载，我们可以得到在风荷载下，结构的稳定性系数。（这里我们仅考虑一阶屈曲）

计算可知：（1）在封铰前一阶段6 级横向风作用下，一阶屈曲系数 λ=43.1，大于4.0，满足要求。（2）在封铰前一阶段11 级横向风作用下，一阶屈曲系数 λ=40.1，大于4.0，满足要求。（3）最大悬臂阶段6 级横向风作用下，一阶屈曲系数 λ=18.5，大于4.0，满足要求。（4）最大悬臂阶段11 级横向风作用下一阶屈曲系数 λ=15.1，大于4.0，满足要求。综上，在有风作用，且无论是在封铰前一个施工阶段还是最大悬臂状态，结构都处于安全稳定状态。

根据结构的实际受力特征，选取腹板混凝土浇筑过程中最不利阶段进行稳定性分析，即浇筑腹板合龙段混凝土前一个施工阶段。计算可知，一阶屈曲系数 λ=13.7，大于4.0，满足要求，如图2 所示。选取浇筑顶板合龙段混凝土前一个施工阶段来分析其稳定性。计算可知，一阶屈曲系数 λ=27.3，大于4.0，满足要求，如图3 所示。

图3 顶板混凝土浇筑阶段稳定性计算

4 结论

通过对大桥主拱圈劲性骨架混凝土拱桥建立Midas/civil 模型,分析其施工阶段的稳定性,并根据规范计算风荷载，计算出风荷载对施工阶段稳定性影响，对各施工阶段稳定系数进行计算分析,得出以下结论:

4.1 计算结果表明稳定系数满足规范要求。桥梁施工过程中稳定系数较低的阶段为钢管内混凝土灌注后仅计湿重阶段及腹板混凝土浇筑仅计湿重阶段,此时混凝土未形成强度,相当于外荷载作用于结构上。这2 个阶段在施工中应格外特别注意,并应采取相应的方法增强施工阶段稳定性。

4.2 风荷载对稳定系数的影响主要体现在吊装阶段最大悬臂状态,稳定系数在这个时候下降较大,不可忽视风荷载的作用,应注意采取措施增强抗风稳定性。