高铁劲性骨架混凝土拱桥主拱施工过程受力分析

中铁二院重庆勘察设计研究院有限责任公司，重庆 400023

为适应大跨径拱桥对材料性能和施工方法的要求，钢管混凝土劲性骨架混凝土拱桥应运而生。此类拱桥跨度较大，其劲性骨架外包混凝土若直接采用连续浇筑，施工过程中主拱圈将产生较大变形与应力，施工控制困难，安全风险大[1]。在劲性骨架已经成拱的前提下，其外包混凝土通常采用竖向分环、多工作面、纵向分段的浇筑方法[2-3]。主拱在施工、运营过程中受力特性与外包混凝土浇筑方案密切相关[4-6]。文章通过研究主跨275m的高速铁路上承式钢筋混凝土拱桥主拱施工过程，分析其外包混凝土浇筑方案的有效性，揭示主拱在施工过程中的承载能力和特性。

1 工程概况

该桥跨越乌江，桥址处地势陡峭，为“V”字形峡谷，两岸地质较好，适合修建上承式拱桥结构。针对铁路活载大，要求结构刚度大等特点，主桥采用主跨275m上承式钢筋混凝土拱桥。主拱圈矢高为68.75m，矢跨比为1∶4，拱轴线采用悬链线，按拱轴系数m=2设计。桥梁立面布置图如图1所示。

图1 桥梁立面布置图

主拱截面为单箱双室矩形截面，由拱脚至拱顶逐渐变宽、等高形式，截面示意如图2所示。主拱截面高6.5m；拱顶箱室宽10m，拱脚处宽12m。主拱圈采用C55钢筋混凝土。

图2 主拱圈截面示意图

拱上立柱采用单柱式空心（或实体）墩，顶宽8m，纵向宽3.5m。拱肋劲性骨架上下弦杆采用外径为750mm的直焊缝卷制钢管，壁厚根据受力不同选取，单个截面共6根弦杆；劲性骨架采用N型桁架。缆索吊装合龙钢管骨架后，钢管内灌注C60补偿收缩混凝土作为拱肋混凝土施工支架，施工完毕拱肋外包混凝土后与其一起形成劲性骨架钢筋混凝土结构。

2 施工过程受力分析

2.1 主拱圈外包混凝土浇筑顺序

目前普遍认为，多点均衡施工外包混凝土能够使主拱劲性骨架应力分布均匀、线形变化平缓均匀。一般情况下劲性骨架沿着拱轴线纵向浇筑时段划分越细，越有利于结构受力，但与此同时，会带来工期增加的问题。综合主拱圈受力与工期等因素，该桥主拱圈拟采用“3个环、4个工作面”的浇筑方案，如图3、图4所示。

图3 主拱圈浇筑工作面划分示意图

图4 主拱圈分环浇筑示意图

主拱圈主要施工顺序：斜拉扣挂法施工劲性骨架节段至最大悬臂→劲性骨架合拢→灌注骨架弦管内混凝土→浇筑底板第1、4节段→浇筑底板第2、5节段→浇筑底板第3、6节段→浇筑腹板第1、4节段→浇筑腹板第2、5节段→浇筑腹板第3、6节段→浇筑顶板第1、4节段→浇筑顶板第2、5节段→浇筑顶板第3、6节段→施工立柱→施工主梁→施工桥面附属→完成全桥施工。

2.2 有限元模型

针对主拱圈采用先劲性骨架后外包混凝土这一特点，有限元建模简化时考虑劲性骨架采用梁单元，外包混凝土采用板单元，扣锚索采用杆单元模拟并赋予张拉力。全桥合计节点1831个，单元4690个，其中杆单元136个、梁单元3512个、板单元1022个。劲性骨架弦杆钢管混凝土采用共节点的双单元方式进行模拟。含施工临时扣塔及扣锚索的全桥模型如图5所示。

图5 全桥有限元模型（含施工扣塔及临时扣锚索）

2.3 计算结果

根据前述有限元模型，可得出劲性骨架、外包混凝土各施工阶段的受力情况，文章仅列出部分典型结果。

弦杆钢管最大应力随浇筑次序的变化关系如图6所示。从图6可看出随着施工的进行，弦杆中最大应力逐渐增大，上、下弦杆应力最大值接近。外包混凝土浇筑前（次序1～12）上、下弦杆钢管最大应力控制在200MPa左右，小于规范允许值276MPa。

图6 弦杆钢管最大应力随浇筑次序的变化关系

弦杆钢管中混凝土最大应力随浇筑次序的变化关系如图7所示。随着施工的进行，管内混凝土压应力呈现先增加后减少的趋势。

图7 弦杆钢管内混凝土最大应力随浇筑次序的变化关系

外包混凝土拱桥关键截面顶缘、底缘的应力随浇筑次序的变化关系如图8、图9所示，从图8、图9可以看出，在浇筑过程中混凝土应力均处于压应力状态，上缘最大压应力为4.7MPa，下缘最大压应力为8MPa，均满足《铁路桥涵钢筋混凝土结构设计规范》（TB 10092—2017）[7]C55混凝土应力在施工过程中小于14.8MPa的要求。

图8 外包混凝土拱圈顶缘应力随浇筑次序的变化关系

图9 外包混凝土拱圈底缘应力随浇筑次序的变化关系

主拱圈从劲性骨架架设开始，通过浇筑混凝土逐步形成，各部分构件先后承载，经历了施工期间从不完整结构逐步向完整结构转变的时变过程，其稳定性问题是决定建桥工程成败的关键，因此有必要针对主拱圈进行浇筑全过程的结构稳定性分析，从而保证方案的合理性。

结构弹性稳定性计算考虑荷载为结构自重、扣索索力和横向风荷载，不考虑施工过程中设置风缆的作用。施工过程中结构稳定安全系数随浇筑次序的变化关系如图10所示，最大稳定安全系数为37.54，最小稳定安全系数为11.29，满足规范所要求的稳定系数大于4的要求，结构整体稳定性有较大富余。

图10 施工过程中结构稳定安全系数随浇筑次序的变化关系

劲性骨架在斜拉扣挂施工至最大悬臂状态时的一阶失稳模态如图11所示，该施工阶段失稳形态为面外正对称失稳，一阶稳定安全系数为33.51。

图11 拱圈最大悬臂时一阶屈曲模态（仅示半跨）

完成浇筑腹板时（对应施工次序9）的一阶失稳模态如图12所示，该施工阶段失稳形态为面外正对称失稳，一阶失稳稳定安全系数为11.29，稳定安全系数为整个施工过程中的最小值。但仍满足规范所要求的稳定系数大于4的要求。

图12 完成浇筑腹板时一阶屈曲模态

3 结论

文章对高铁劲性骨架混凝土拱桥主拱施工过程的受力状态和结构稳定进行了计算分析，得到了各工况下劲性骨架的结构应力状态和稳定系数。通过建立钢管混凝土劲性骨架拱肋三维数值模型，得到钢管拱架最大悬拼阶段一阶失稳稳定系数为33.51，施工过程中稳定安全系数最小值为11.29，满足规范最小稳定安全系数大于4的要求，主拱结构的整体稳定性具有一定的安全储备。