钢管混凝土拱桥拱肋内灌混凝土比选研究

张 忠，丁敬荣，刘鲁涛，孔凡光

（聊城市公路工程总公司，山东 聊城 252000）

由于钢管混凝土拱桥具有高强质轻、跨距优越、耐疲劳、抗冲击、承载能力高等优点，故为跨越江河湖泊等地区较为受青睐的桥型之一［1-3］。该桥型在拱肋结构安装完毕后，有多种拱肋钢管内灌混凝土方式选择，但不同内灌方式会对拱肋结构受力、变形以及稳定性产生较大的影响，因此在拱肋施工阶段需加以高度重视内灌混凝土的设计方式［4-6］。

近年来，国内学者针对钢管混凝土拱桥拱肋灌注进行了大量研究，如关敬文［7］等运用ANSYS有限元软件针对某新建中承式钢管混凝土拱桥拱肋灌注过程中各关键截面的挠度、应力进行数值分析，得到其拱顶上挠达60 mm，需采取斜拉扣索调载措施以降低工程施工风险；孙军利［8］等通过运用MIDAS／CIVIL软件对钢管混凝土哑铃型截面拱肋的4种灌注顺序进行数值对比分析，得到该桥的最优灌注顺序；何奇钦［9］等以文惠桥改造工程为例，针对3种钢管混凝土拱肋的吊装方案进行比选及有限元验算，确定出双浮吊三节段双拱肋无扣塔扣挂吊装方案合理可行。目前，钢管混凝土拱桥拱肋灌注主要采用高强普通集料混凝土，但高强混凝土存在自重大、延性低、易开裂等缺陷，故给桥梁结构的安全和稳定性带来较大影响，而关于拱肋内灌材料比选方面的研究较少［10］。基于此，本文依托某新建中承式哑铃形钢管混凝土拱桥工程，运用MIDAS／CIVIL软件建立拱桥结构的有限元计算模型，针对3种混凝土灌注拱肋的施工阶段进行应力、变形及稳定性对比分析，比选出拱肋的最优灌注方式，为后续同类桥梁工程的设计及施工提供参考及借鉴。

1 工程概况

某中承式钢管混凝土拱桥全长为236 m，计算跨径为220 m，桥面宽为43 m，主拱轴线为二次抛物线，失高为55 m，矢跨比为1／4。主拱肋采用横哑铃四管桁式钢管混凝土结构，其中钢管外径为80 cm、厚度为1.4 cm；横向两钢管间距为30 cm，两钢管间之间设厚度为1.4 cm的缀板连成一体；竖向钢管间设有外径为35 cm、厚度为1.4 cm的竖直腹杆与斜杆，腹杆成对设置且分别与与弦杆的圆管直接相连。拱桥中拱肋截面高度为4.5 m，宽度为2 m，共设有7道钢管空间桁式横向联结横撑。该钢管混凝土拱桥设计为双向六车道标准，设计荷载标准为公路-1级。桥梁立面布置具体如图1所示。

图1 钢管混凝土拱桥立面布置示意图Figure 1 Schematic layout of the concrete-filled steel tube arch bridge

2 拱肋内灌混凝土设计

在拱肋松扣索完成后需内灌混凝土，该拱桥结构中拱肋一共分为4个横哑铃型灌注截面，在灌注时单个横哑铃型截面中两钢管与缀板同时采取左右对称自拱脚向拱顶的方式进行泵压灌注，且每灌注完1个横哑铃型截面后需调整扣索力，待灌注完截面内的混凝土达到设计标准强度的80%后再进行下一个横哑铃型截面的灌注。根据拱肋的灌注顺序将全桥划分为4个施工阶段，其中阶段1为左榀下弦管灌注，阶段2为右榀下弦管灌注，阶段3为右榀上弦管灌注，阶段4为左榀上弦管灌注，具体灌注顺序及施工阶段划分如图2所示。拱肋原设计采用C50微胀混凝土进行灌注，为保证拱桥具有更好的安全性及稳定性，现另设计C60、LC60的2种混凝土灌注方式进行比选。

图2 拱肋灌注顺序及施工阶段划分Figure 2 Arch rib pouring sequence and construction stage division

3 有限元计算模型

通过运用MIDAS／CIVIL有限元软件建立拱桥的三维模型，假设X为纵桥方向，Y为横桥方向，Z为竖桥方向。模型共划分为1 935个节点、2 551个单元，其中吊杆采用桁架单元进行模拟，共90个桁架单元，而拱肋、腹杆与横撑则采用梁单元进行模拟，共2 461个梁单元。拱脚采用一般支撑中的固结约束，主梁两端则采用铰接约束。按钢管骨架均重分配原则，将4片拱肋作用于各拱脚节点，主拱肋横向设为刚性连接。拱桥计算模型具体如图3所示。

图3 拱桥有限元计算模型Figure 3 Finite element calculation model of arch bridge

考虑到混凝土灌注时并没有涉及吊杆拉力、二期荷载及温度荷载，因此模拟过程中仅考虑了结构自重和风荷载的影响。计算结构应力时，通过应力差消除了结构材料自重对其结构内力的影响。拱桥结构中钢材均选用Q345，各材料参数如表1所示。

表1 主要材料参数Table 1 Main material parameters

4 计算结果与分析

4.1 拱肋最大拉、压应力

通过对3种混凝土灌注拱肋过程中各施工阶段的拱肋应力进行有限元计算分析，并通过软件获取拱肋最大拉应力及压应力变化曲线如图4所示。

图4 不同施工阶段的拱肋应力变化曲线

Figure 4 Curves of arch rib stress at different construction stages

由图4（a）可知，随着施工阶段的增加，3种混凝土灌注方式的拱肋最大拉应力 （σt）均呈逐渐增大变化，其中施工阶段1至施工阶段2的拉应力表现最为明显；各施工阶段中不同混凝土灌注方式的拱肋最大拉应力由大到小依次为：σt（C50）＞σt（C60）＞σt（LC60），其中采用C60混凝土灌注方式时，拱肋结构在各施工阶段的最大拉应力较C50均有小幅降低，而当采用LC60混凝土灌注方式时，拱肋结构在各施工阶段的最大拉应力较C50则有比较明显的降低。从图4（b）可以看出，随着施工阶段的增加，不同混凝土灌注方式的拱肋最大压应力 （σt）均呈先减小后增大变化，其中拱肋结构在施工阶段2的压应力达到最小，且在施工阶段2至阶段3的压应力增幅最为明显；各施工阶段中不同灌注方式的拱肋最大压应力由大到小依次为：σc（C50）＞σc（C60）＞σc（LC60），其中采用C60混凝土灌注方式时，拱肋结构在各施工阶段的最大压应力较C50有小幅降低，而LC60混凝土灌注拱肋结构时各施工阶段的最大压应力较C50有明显降低。综合可知，3种混凝土灌注方式中LC60灌注拱肋结构的应力最小，因此将混凝土强度增大及自重减轻能有效减小拱肋所承受的应力。

4.2 变形

桥梁结构变形一般分为横向、竖向以及纵向的变形，其中桥梁结构的竖向变形最大，因此本文仅考虑了钢管混凝土拱桥的竖桥向变形。通过对3种混凝土灌注拱肋过程中各施工阶段的竖桥向变形进行有限元计算分析，得到拱肋竖桥向变形曲线如图5所示。

图5 不同施工阶段的拱肋变形变化曲线Figure 5 Curves of arch rib deformation at different construction stages

根据图5可知，随着施工阶段的增加，不同混凝土灌注方式的拱肋竖桥向变形均呈先减小后增大变化，其中拱肋结构在施工阶段1至阶段2的变形量（f）减幅较小，而施工阶段2至阶段3的变形量呈现出明显的增大，施工阶段3至阶段4的变形量则呈现为小幅增大；各施工阶段中不同灌注方式的拱肋竖桥向变形量由大到小依次为：f（C50）＞f（C60）＞f（LC60），其中采用C60混凝土灌注方式时，拱肋结构在各施工阶段的变形量较C50均有小幅降低，而LC60混凝土灌注拱肋结构时各施工阶段的变形量较C50则有明显的降低。综合可知，3种混凝土灌注方式中LC60灌注拱肋结构的变形量最小，故选用LC60高强次轻混凝土灌注方式能有效减小拱肋竖桥向变形。

4.3 稳定性

通过对3种不同混凝土灌注拱肋过程中各施工阶段的稳定性进行有限元计算分析，得到拱肋稳定性系数变化曲线如图5所示。

图6 不同施工阶段的拱肋稳定性系数变化曲线Figure 6 Curves of stability coefficient of arch ribs at different construction stages

根据图6可知，随着施工阶段的增加，不同混凝土灌注方式下的拱肋稳定性系数 （φ）均逐渐减小变化，其中拱肋结构在施工阶段1至阶段3的稳定性系数减幅较为明显，而施工阶段3至阶段4的稳定性系数减幅则表现为平缓；各施工阶段中不同灌注方式下的拱肋稳定性系数由大到小依次为：φ（LC60） ＞φ（C60） ＞φ（C50），其中采用C60混凝土灌注方式时，拱肋结构在各施工阶段的稳定性系数减幅较C50比较明显，而LC60混凝土灌注拱肋结构时各施工阶段的稳定性系数减幅较C60有所减小。综合可知，在3种混凝土灌注方式中LC60灌注拱肋结构的稳定性系数最小，故选用LC60高强次轻混凝土灌注方式能有效增强拱肋的稳定性。

5 结论

本文以某中承式横哑铃四管桁式混凝土拱桥为算例，通过借助MIDAS／CIVIL软件建立拱桥结构有限元计算模型，针对3种混凝土灌注拱肋的过程展开应力、变形及稳定性对比分析，得出以下结论：

a.随着施工阶段的增加，3种混凝土灌注方式下拱肋的最大拉应力均逐渐增大，而最大压应力则均先减小后增大变化。

b.不同混凝土灌注方式下拱肋竖桥向变形均随着施工阶段的增加呈先减小后增大变化。

c.随着施工阶段的增加，不同混凝土灌注方式下拱肋的稳定性系数均逐渐减小。

d.不同混凝土灌注方式下各施工阶段的拱肋应力σ、变形f由大到小为 σ（C50）＞σ（C60）＞σ（LC60），f（C50）＞f（C60）＞f（LC60），而稳定性系数则为 φ（LC60）＞φ（C60）＞φ（C50），故LC60高强次轻混凝土为拱肋最优灌注方式。