混凝土压注工序对钢管混凝土拱桥内力分布的影响研究

李臣嵘，李利，李明，胡宗军，牛忠荣

（1.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽 合肥 230009；2.中铁上海工程局建筑工程有限公司，上海 200436）

钢管混凝土拱桥凭借着其优越的性能以及较高的经济效益[1]，扮演了我国过去几十年桥梁快速发展历程中重要的角色。钢管混凝土拱桥结构性能优势明显[2]，原因在于钢管和混凝土在相互制约的受力过程中，充分发挥了各自力学性能的优势。混凝土受到钢管的约束，使得其极限压缩应变提升，增大了结构承载力，蠕变速率相对于普通混凝土也有所降低[3]。而钢管由于混凝土的填充，也保证了钢管的局部稳定。因此，钢管混凝土结构呈现出能充分发挥混凝土的抗压性能，以及钢材的抗拉能力、耐高温、耐腐蚀、抗冲击性能好等等的特点。由于工程材料和施工技术的进步，我国钢管混凝土拱桥的跨径已由四川省旺苍市境内1990年建成的东河大桥的110m发展至四川省泸州市境内2013年建成的合江长江一桥的530m。

钢管混凝土拱桥的建成须先完成拱肋结构的拼装合龙，进而再向钢管内压注混凝土形成钢管混凝土结构，最后根据设计方案完成桥梁建成。对于钢管混凝土拱桥而言[4]，拱结构内力分布以及拱肋线性变化是否合理是决定桥梁能否安全落成的关键因素，而向钢管压注混凝土的施工方案将对钢管混凝土拱桥内力产生显著影响。Milan等[5]通过四种实验方法，分析了管内混凝土初步压注阶段，可对钢管结构施加初应力，从而提升了钢管混凝土截面强度。刘斌[6]采用组合空间梁单元法，有效模拟了哑铃型钢管混凝土拱桥的混凝土灌注施工过程。认为不同混凝土灌注顺序对该类拱桥影响较小。王元清等[7]分析了钢管混凝土拱桥施工过程的线性和非线性稳定性，并认为钢管混凝土已灌注，但还未形成强度时，拱桥整体稳定性最低；当混凝土刚度形成以后，整体稳定性最高。白应华等[8]对钢管混凝土对称灌注过程进行了仿真计算，认为混凝土灌注完成后将大幅提升整体刚度，采用对称压注可保证拱圈结构安全。孙九春等[9]认为影响混凝土灌注顺序的重要因素是各弦管的刚度分配能力，延长各管灌注混凝土间隔时间，降低应力效果并不明显。

本文依托奉节梅溪河特大桥施工为工程背景，按照实际结构设计尺寸和施工工序建立有限元模型，并采用双单元法有效模拟钢管混凝土组合材料，提出了4种不同压注顺序的方案进行有限元计算，通过分析各施工阶段下结构应力发展趋势，研究不同混凝土压注方案对拱桥内力的影响，并优选压注混凝土的施工方案。

1 工程概况

重庆奉节梅溪河特大桥位于重庆市奉节县梅溪河长江入口上游约1.5km处，主桥为劲性骨架钢筋混凝土上承式提篮拱桥，钢桁拱肋为劲性骨架，弦管材质为Q390D，主弦管及横梁弦管内灌注C60自密实无收缩混凝土，拱圈劲性骨架外包C55补偿收缩混凝土。主拱肋为变宽变高钢桁拱架，拱跨340m，矢高74m。主拱圈平面呈X形，分为拱脚分叉段和拱顶合并段，分叉段半幅采用三道横梁连接，拱箱外缘高度由拱脚处高11m变至拱顶处高6m。梅溪河特大桥的施工过程主要包括建立斜拉扣挂体系（如图1所示），对拱肋预制节段吊装拼装，压注管内混凝土，拆除扣索锚索，外包拱肋骨架混凝土，建立拱上墩柱以及桥面系等。

图1 梅溪河特大桥斜拉扣挂系统结构图

2 力学分析模型的建立

2.1 力学模型设定

梅溪河特大桥拱肋主弦管尺寸为φ750mm×24mm，联接系为四肢组合角钢结构，材料采用Q390D，其许用应力值为295MPa。拱肋总计用钢量4083.3t[10]。如图2所示，河岸每侧拱肋分为16个节段，通过斜拉扣挂系统进行悬臂拼装，通过调整扣索和锚索索力将各拱肋节段吊装至设计高度，在拱肋线形达到合龙要求后再完成拱肋合龙。

图2 梅溪河特大桥半幅拱肋施工图

梅溪河特大桥主弦管按照上下游、内侧外侧、上下弦的位置分布，如图3所示。拱肋主弦管及横梁弦管内设计采用C60微膨胀自密实混凝土压注填充，其抗压设计值为27.5MPa，抗拉设计值为2.4MPa。待拱肋钢骨架完成合龙后，河岸两侧拱脚位置开制压注孔，拱顶开制出浆孔，按照设定的钢管内混凝土压注顺序，利用高压输送泵同时对称从拱脚向拱顶推进，在完成压注后采用敲击法或超声波法检测压注质量，确保钢管与管内混凝土贴合密实。

图3 梅溪河特大桥主弦管分布图

根据梅溪河特大桥实际结构，采用有限元分析软件Midas Civil对其建立力学模型，如图4所示。整个模型共建立了3521个节点，包含6706个各类型单元，拱肋钢结构采用梁单元模拟，而扣索结构采用桁架单元进行模拟。力学模型中拱肋结构需要考虑吊耳、匹配件、拱圈爬梯等等附属结构重量，因此通过修正力学模型中拱肋各节段材料容重，保证力学模型单元重量与实际材料重量一致。梅溪河特大桥在完成拱肋合龙施工后，拱肋由两侧悬臂结构转换为完整拱结构，因此在对拱肋钢管内混凝土压注的施工过程中，将扣索于交界墩和扣塔上的锚固节点以及拱脚单元所包含节点均设置为固接的边界条件。

图4 梅溪河特大桥力学模型

2.2 拱肋结构有限元模拟方法

钢管混凝土是组合材料结构形式，其与单一材料不同的是两种材料在拱受力过程中均发挥出各自材料的优势，可良好发挥出组合材料的力学属性。目前对钢管混凝土结构进行力学分析方法可分为纤维模型法和有限单元法两大类。其中纤维模型法中包含换算材料法、统一理论法、双单元法。其中换算材料法即将组合材料截面中的混凝土换算成钢材，或者将钢材换算成混凝土进行计算，可以得到材料全截面的应力情况。统一理论法是在实验研究的基础上，将钢管混凝土视作一种组合材料，并考虑了钢管对混凝土的套箍作用。但是上述两种方法无法得出拱肋截面中钢材和混凝土各自的应力情况。应用双单元法建立梅溪河特大桥有限元模型时，即在拱肋空间位置上的两个节点之间，根据拱肋骨架实际结构设计尺寸，分别建立钢管梁单元和混凝土梁单元，如图5所示。两梁单元空间位置重叠，但材料属性、截面属性分别属于各自材料特性，也可分别得到钢材和混凝土的工作应力情况。

图5 双单元法示意图

对钢管混凝土结构的力学分析也可采用有限单元法，如有限元法软件Midas Civil中提供了联合截面法进行力学建模，其原理是将由两种不同特性的材料构成的截面转换为具有同一弹性模量的材料截面，通过这种等效转换使得钢管混凝土截面前后产生的应变相同，在建立力学模型时，只需定义构成拱肋骨架的梁单元截面为联合截面即可。

运用双单元法建立钢管混凝土结构时，在管内混凝土完成压注，但还未形成强度的施工阶段下，仅激活拱肋骨架钢管梁单元承受荷载，同时激活各节段与管内混凝土相匹配的混凝土湿重荷载。在管内混凝土经过养护形成强度后，形成完整的钢管混凝土结构，在此施工阶段下则钝化混凝土湿重荷载，激活与钢管梁单元同一位置的混凝土梁单元，从而形成双单元结构。而运用联合截面法时，则需要定义联合截面中钢材和混凝土材料的材龄和强度，并设定两者在不同施工阶段下的激活或者钝化，以此匹配钢管混凝土拱桥在不同施工阶段下的截面属性。将力学计算结果对比后，发现两种方法所得结果之间近似无差异。本文采用双单元法对梅溪河特大桥钢管内部混凝土压注施工过程，应力响应进行有限元分析。

3 钢管内混凝土压注方案

拱肋主弦管内混凝土压注顺序不同会对拱肋结构内力分布造成影响。但根据现场施工条件及拱肋实际结构分析，只可将上、下游对称的两根主弦管按先上游后下游的顺序进行连续压注，即上游弦管压注完成后即压注对称位置下游弦管，保证上游弦管内部已完成压注的混凝土，在下游弦管内混凝土完成压注前尚未初凝。不考虑先完成上游侧（或下游侧）所有弦管内混凝土压注方案。基于此前提，提出以下4种压注方案进行有限元计算并将结构工作应力结果进行对比，各方案压注顺序如下图所示。

方案1按照先下弦钢管，后上弦钢管的原则进行压注。方案2按照先内侧，后外侧的原则进行压注，例如完成了下弦内侧钢管的压注后，进行上弦内侧钢管的压注。方案3按照先外侧，后内侧的原则进行压注，例如完成了下弦外侧钢管的压注后，进行上弦外侧钢管的压注。方案4按照先上弦钢管，后下弦钢管的原则进行压注。

4 压注方案下拱肋应力结果分析

按照上节所提出的4种钢管管内混凝土压注方案进行有限元法计算。对每个压注方案，本文都按照4个步骤完成对八根拱肋主弦管压注的有限元力学分析，分施工阶段对钢管应力分布计算结果进行对比（图6）。

图6 施工中4种压注方案下钢管最大应力变化趋势

4.1 拱肋钢管最大应力

在4种压注方案下，采用有限元法分别进行力学分析，4种方案下拱肋钢管最大应力计算结果见图6。随着每施工阶段内钢管管内混凝土完成压注，拱肋骨架最大应力逐渐上升。其中按照方案4进行压注的拱肋钢管，其最大应力相较于前3种方案都高出约20MPa，其原因是方案4是4种方案中唯一先从拱肋上弦部分钢管进行压注的方案。在完成第一步骤内的管内混凝土压注并形成强度后，方案4下的拱肋钢管最大应力为-110.6MPa，位于拱肋八分之一位置的下弦钢管，其余3个方案下的拱肋钢管最大应力均约为-94MPa。

方案1，2和4虽对钢管内混凝土压注顺序不同，但是均从拱肋下弦部分钢管进行第一步骤内的混凝土压注。由图6结果可见前3种方案下的拱肋钢管最大应力发展趋势均无较大差别。在完成所有拱肋钢管内混凝土压注后，拱肋钢管最大应力方案1为-144.1MPa，方案2为-143.2MPa，两者相差无几。但方案3的拱肋钢管最大应力上升为-155.2 MPa。方案1和方案2在最后步骤中完成压注的是拱肋上弦外侧钢管，而方案3在最后步骤中完成压注的是拱肋上弦内侧钢管。因此根据有限元法计算结果对比分析，提出钢管混凝土拱桥的管内混凝土压注施工方案应遵循“先下弦，后上弦；先内侧，后外侧”的钢管压注原则。

4.2 拱肋混凝土最大应力

管内混凝土压注成型后形成强度，成为拱肋骨架受力结构的一部分，因此依据混凝土应力发展趋势，同样可以对比出各压注方案的优劣。由图7结果可以看出，随着施工阶段的推进，方案4的混凝土应力仍要大于前3种压注方案。但在完成所有管内混凝土压注，并形成强度后（即S9施工阶段），各压注方案下的混凝土应力情况有所不同。图8为该施工阶段下拱肋各位置钢管内混凝土的应力分布情况。方案4下的拱肋拱顶管内混凝土应力值最大，为-6.2MPa。方案1、2、3下的混凝土应力分布相同，八分之一拱肋处的钢管内混凝土应力最大，而拱肋拱顶位置处的管内混凝土应力最小；其中方案3的混凝土应力最大值为-5.84MPa，方案2为-4.76MPa，方案1为-4.6MPa。

考虑梅溪河特大桥在完成管内混凝土压注后，后续进行外包拱肋骨架混凝土、构筑拱上墩柱以及桥面系等施工内容，故当前施工阶段下所计算结构应力值越小，更有利于拱桥后续施工和使用阶段的结构安全。因此综合对比各压注方案下工作应力的有限元法计算结果，本文提出压注方案1为梅溪河特大桥优选的拱肋钢管混凝土压注施工方案。

图7 四种压注方案下混凝土应力变化趋势

5 结论

图8 四种压注方案下拱肋各位置混凝土最大压应力

本文以梅溪河特大桥拱肋骨架钢管管内混凝土压注施工过程为研究对象，应用双单元法建立拱肋骨架力学分析模型，即在拱肋空间位置上的两个节点之间，根据拱肋骨架实际结构尺寸，分别建立钢管梁单元和混凝土梁单元。根据现场实际施工工序设定有限元模型中的施工阶段，提出4种不同压注方案进行有限元法计算。根据计算结果可得以下结论：

①通过对比拱肋钢管应力发展趋势可得，钢管管内混凝土遵循“先下弦，后上弦；先内侧，后外侧”的压注原则，可使钢管所受工作应力更小，施工后拱肋骨架结构更安全。

②通过对比拱肋混凝土应力的发展趋势可得，先压注上弦部分钢管的方案4下的拱肋拱顶管内混凝土应力值最大。在所有钢管管内混凝土完成压注，并形成强度的施工阶段，综合对比拱肋各位置的混凝土应力分布情况，方案1即先压注下弦内侧钢管，接着压注下弦外侧钢管，然后压注上弦内侧钢管，最后压注上弦外侧钢管的混凝土压注方案为梅溪河特大桥最优的拱肋钢管混凝土压注方案。本文分析结果也可为类似大跨度混凝土拱桥的管内混凝土压注施工提供参考。