连续梁钢管混凝土系杆拱桥拱肋施工研究

张 宝

(安徽省综合交通研究院股份有限公司，安徽 合肥 230001)

1 引 言

钢管混凝土系杆拱桥具有结构体系受力合理、充分利用钢材与混凝土材料特性、造型优美、经济效能好等优点。近些年随着施工工艺技术的发展，钢管混凝土系杆拱桥在大跨径桥梁工程中成为极富竞争力的桥型之一。

钢管混凝土拱桥在我国已经得到广泛应用，相关的计算理论和施工技术已取得相当多的研究成果。钢管混凝土拱桥的施工建造可一般分为“先梁后拱”与“先拱后梁”两种施工方法。对于变截面箱体连续梁桥钢管混凝土拱桥一般采用“先梁后拱”的施工方法进行建造施工。钢管混凝土拱常用的截面是哑铃型截面，钢管拱的架设一般是在连续梁合龙后，在梁上铺设支架，然后对钢管拱进行吊装架设，钢管拱合龙后拆除支架，在钢管腔体内压注混凝土。其中拱肋的吊装施工是拱桥施工中非常重要的一步，其吊装施工质量直接影响整个拱桥成桥状态和其后的运营质量。消除拱肋分节段吊装施工过程中的竖向变形，保证施工完成后的拱肋线形达到理想状态，一直是钢管混凝土拱桥的施工建造的技术难点，。为了达到设计预期目标，保障桥梁的施工安全和桥梁后期运营安全，本文应结合桥梁实际施工方案，借助有限元模拟某连续梁系杆钢管混凝土拱桥钢管拱一次成型、5节段吊装以及15节段吊装施工过程，探究其施工阶段拱肋位移和内力变化规律，并与实测结果进行对比分析。

2 工程概况

新建铁路连云港至徐州铁路某连续梁系杆拱桥，拱肋采用钢管混凝土组合结构，设计拱轴线为二次抛物线，矢跨比1/5，设计矢高33.6 m，理论计算跨径为168 m，结构设计为连续梁柔性拱组合结构。连续梁全长335.8 m，采用挂篮悬臂施工，悬臂段分为17段。主梁采用全预应力混凝土单箱双室截面，中支点截面最低点梁高为9.6 m，中跨跨中及边支点截面最低点梁4.2 m。横桥向设置2道拱肋，拱肋中心间距为11.8 m，拱肋采用等高度哑铃形截面，拱肋截面高度为3 m，拱肋外径为1 m，壁厚为20 mm，拱肋内部浇筑C55微膨胀混凝土，上线弦杆管中心距为2.2 m。全桥共设置16组吊杆，每组吊杆分为左、右幅拱肋各1对，每对分为A和B两根吊杆，共计64根吊杆。

3 计算假定

钢管混凝土拱肋施工过程中受拱肋节段自重作用和浇筑混凝土重力作用会产生竖向变形。考虑施工环境和钢箱梁混凝土拱桥结构的复杂性，进行有限元分析时做出以下几点计算假定。

(1)拱轴线一致性假定。中跨跨径为168 m，设计矢高33.6 m。桥梁施工过程中拱肋累计最大变形量不超过6 cm，与跨径相比属于小变形。计算拱肋控制点竖向位移时均以设计拱轴线为基准轴线。

(2)支架点处竖向位移与预抬高值关系假定。满足小变形理论，假定自重作用下拱肋支架点初始的竖向位移值等于施工过程中相应控制点的预抬高值。

(3)参数影响因素假定。钢管混凝土拱桥施工过程中影响因素较多，如：结构刚度、拱段的重量、施工荷载、温度变化等，计算时假定这些参数均取理想值。

以某个拱肋节段吊装施工阶段为例，将拱肋节段自重荷载等效为均布荷载作用于该节段上。在该点吊装过程中，不会引起后续待吊装拱肋节段产生竖向位移，但会造成已经吊装完成后的拱肋节段产生竖向位移。第i段拱肋架设所引起的第j段拱肋竖向位移可表示成Δij。根据所划分的拱肋施工顺序，依次建立变形协调方程，求解支架反力，运用图乘法求解拱肋吊装节段变形。考虑到超静定方程求解的复杂性，运用有限元软件建立该桥施工阶段分析模型，准确计算得出各阶段拱肋变形值Δij。

建立有限元分析模型共319个节点，共有313个单元。系梁、拱肋、横撑均采用梁单元模拟，共281个梁单元；吊杆采用只受拉桁架单元模拟，共32个桁架单元。连续梁施工分为18块段，K0#～K17#块段采用对称悬浇，K18#块段是在边直段浇筑合龙及桥梁体系转换后进行浇筑。混凝土钢管拱采用对称浇筑模型，分为5个施工阶段，计算分析中将钢材截面用等效的混凝土截面代替。吊杆采用体外力的方式张拉，吊杆下侧节点与连续梁梁体节点之间采用刚性连接方式。

模型中材料参数如下：连续梁梁体混凝土弹性模量取为36 GPa，泊松比0.2，容重25 kN/m3，钢管拱内部浇筑混凝土弹性模量取为35.5 GPa，泊松比0.2，容重25 kN/m3，拱肋钢材弹性模量取为206 GPa，泊松比0.3，容重76.98 kN/m3，吊杆弹性模量取为205 GPa，泊松比0.3，容重78.5 kN/m3。

4 空钢管拱肋架设过程中数据分析

在设计中拱肋分为15节段吊装，编号从小里程至大里程分别为B1～B7、B8与B1′～B7′，其中B8节段为拱肋合龙段。在连续梁梁体上搭设支架，拱肋节段采用浮吊对称吊装。空钢管拱肋吊装施工分析中一般是一次成型，把拱肋架设过程中的临时荷载等效均不荷载作用于梁体，计算梁体的受力与变形状况，以保证梁体安全性。但是这一过程往往忽略空钢管吊装过程中的竖向变形，在拱肋实际施工中拱肋线形往往会比设计线形要低，甚至有可能无法满足工程精度的要求。

为了探究拱肋吊装过程中空钢管吊装过程中竖向变形情况。结合实际工程需要，将拱肋分为3种方案进行模拟：第一种方案是拱肋一次成型忽略拱肋吊装过程，第二种方案是按设计节段划分进行模拟，第三种方案是将B1～B3、B1′～B3′制作成一段，B4～B7、B4′～B7′制作成一段，分为5节段吊装。拱肋节段划分图如图1所示。

图1 拱肋阶段划分图及吊装施工图

空钢管拱肋吊装施工阶段至支架拆除阶段计算结果，如图2和表1所示。

图2 不同钢管拱吊装方案下拆除支架拱肋变形图

表1 不同钢管拱吊装方案下拆除支架阶段累计的拱肋变形表/mm

图2可以得出，在拆除空钢管支架阶段采用7段吊装方案时计算得出空钢管的变形最大，比空钢管一次成型模拟的拱肋变形大3 mm。采用分段吊装方案时计算得出空钢管的竖向变形与空钢管一次成型的竖向变形整体上变形基本一致。

对比表1可以发现，5节段吊装方案计算得出的累计拱肋竖向变形比一次成型方案计算得出的结果大20 mm，竖向变形最大位置在3L/8处。这是因为表中拱肋竖向变形的结果包含了桥梁梁体变形、支架变形以及拱肋变形。可以看出，一次成型方案与15节段吊装方案计算得出的拱肋变形结果比较平顺，在1L/2位置处的变形最大。而5节段吊装计算得出的拱肋变形结果在3/8L处位置处的变形最大，3/8L处位于最长吊装拱肋的中点，在该节段拱肋架设到支架上，在自重作用下发生了较大的变形，其当前阶段累计变形是一次成型计算变形的2.67倍，是7段吊装计算变形的1.88倍。

5 空钢管拱肋浇筑过程中数据分析

通过计算分析发现空钢管拱肋不同吊装方案导致空钢管的拱肋竖向变形有着较大的差距，为了探究现有拱肋变形对后续拱肋施工的变形影响，分别计算了上管拱、下管拱以及中腹板混凝土浇筑拱肋的变形，并与实测的拱肋变形对比。具体计算结果如图3～图5所示。

图3 不同钢管拱吊装方案浇筑上管拱混凝土拱肋变形图

图4 不同钢管拱吊装方案浇筑下管拱混凝土拱肋变形图

图5 不同钢管拱吊装方案浇筑中腹板混凝土拱肋变形图

通过对比图3～图5，在不同的混凝土浇筑阶段，三种方案有限模型计算得出的拱肋变形趋势一致，并与实测拱肋变形相吻合。说明在拱肋吊装阶段的变形，对后续拱肋的施工阶段影响较小，可以忽略不计。不论采用哪种吊装方案施工，当拱肋合龙完成后，后续施工阶段拱肋的变形基本一致。从图中可以明显得出，浇筑上管拱混凝土的变形最大，后续施工阶段变形逐渐变小。

计算拱肋5节段吊装方案与15节段吊装方案计算得出的拱肋在施工过程中产生的竖向累计变形值与一次成型方案中拱肋施工的累计变形值比值，其结果如表2所示。

表2 两种吊装方案拱肋累计竖向变形值与

通过表2可以得出，5节段吊装方案中吊装阶段的拱肋变形远大于拱肋15节段吊装方案中该阶段的变形值。5节段吊装方案计算得出拱肋变形也均高出一次成型拱肋施工期间累计变形的30%以上。对比5节段吊装方案的布置图，发现高出的变形主要来源于拱肋吊装过程中的变形，其次是来源于支架变形。而拱肋吊装中产生的变形与支架间距布置方式有着较大关系，可以在空钢管拱肋制作过程中设置制作预拱度的方式解决。15节段吊装方案计算得出拱肋变形略大于一次成型拱肋变形的主要原因是支架压缩变形。这部分变形可以在拱肋吊装过程中可以运用预抬的方式解决，最终对于拱肋成桥后线形的影响基本上可以消除。

提取三种方案模型中在空钢管浇筑完成后主要位置处的弯矩值，结果如表3所示。

表3 不同钢管拱吊装方案拱肋浇筑

通过对比表，除1L/2位置处。一次成型计算得出的弯矩最小，5节段吊装计算得出的弯矩最大，其次是15节段吊装计算得出的弯矩。拱脚位置受力最大，随着向1/2L受力逐渐趋于平稳。

6 结 论

(1)对空钢管分为15节段吊装方案计算分析，发现空钢管的变形受支架压缩变形的影响。实际工程中应当应结合施工方案，细化拱肋施工方案分析模型，通过采用预抬的方式消除支架压缩变形影响。

(2)对空钢管分为5节段吊装方案计算分析，当拱肋节段跨径加大时，在吊装过程中由于自重作用发生了较大的竖向变形。一般需要优化拱肋节段划分，或在制作过程中设置制作预拱度方式加以消除。

在实际类似桥梁的施工监控中需要对拱肋吊装施工过程进行分析，以保证拱肋施工后的线形。同时应注意加强对拱脚位置处应力的监控。