劲性骨架混凝土拱桥改进施工工艺可行性研究

时间：2024-07-06

任泓锦，许红胜，颜东煌，周大庆，廖万辉，李明

(1.长沙理工大学，湖南长沙 410114;2.贵州省公路工程集团有限公司)

劲性骨架混凝土拱桥是以内部劲性骨架作为施工过程受力结构的特殊混凝土拱桥，一般先架设钢管劲性骨架，并将其作为分环、分段浇筑的外包拱圈混凝土的施工支架。该桥型具有施工难度较低、建造经济性较好、后期维护成本低等优点，在中国大跨度混凝土拱桥中一直具有较强的竞争力。

劲性骨架截面占主拱圈总面积比例较小，劲性骨架重量较轻，外包混凝土重量一般是劲性骨架重量的10倍以上。在外包拱圈混凝土浇筑过程中，劲性骨架挠度变化较大，劲性骨架结构存在一定应力超限的风险。因此，中国学者对劲性骨架外包混凝土浇筑施工进行了大量研究。目前，劲性骨架混凝土拱桥外包拱圈混凝土主要施工方法有分环分段均衡浇筑法和分环连续浇筑法。

贵州某在建钢管混凝土劲性骨架拱桥，由于施工工期限制，拟采用主拱圈劲性骨架带底板吊装的改进施工工艺。该文通过对比该改进施工工艺与原设计分环分段均衡浇筑法的仿真计算结果，分析该改进施工工艺的可行性。

1 工程概况及模型简介

1.1 工程概况

该桥为主孔净跨径200 m上承式钢管混凝土劲性骨架箱拱，净矢跨比1/5，主拱轴线为悬链线，拱轴系数m=1.988。

拱圈拱轴线范围内均为等截面，拱圈高度360 cm，宽度850 cm，单箱两室断面，拱圈顶、底板以及边、中腹板厚度均为35 cm，拱圈混凝土为C55 高性能混凝土。弦管采用等直径、等厚度的圆形钢管(型号：φ377 mm×14 mm) ，内灌注C80 高强自密实高性能混凝土；腹杆采用组合角钢(型号：4根∠75 mm×75 mm×10 mm)；上、下平联以及横联采用单肢等边角钢(型号：∠140 mm×140 mm×10 mm)。腹杆、平联及横联均按X形交叉布置。

该桥主拱圈立面图如图1所示，横断面图如图2所示。

图1 主拱圈立面图(单位：cm)

1.2 仿真分析模型

该桥主拱圈施工采用Midas/Civil空间有限元软件进行仿真分析。劲性骨架各杆件均采用梁单元进行模拟，拱圈外包混凝土采用板单元进行模拟，梁、板单元之间通过共用节点进行耦合。模型中劲性骨架包括1 264个节点、3 516个单元，混凝土板单元总计756个。根据设计文件提供的混凝土体积和钢材用量对相应材料重度进行换算，主拱圈混凝土重度取：26.55 kN/m3，弦管重度取：83.14 kN/m3，平联重度取：87.00 kN/m3，横联重度取：117.10 kN/m3，Q390钢材弹性模量取2.06×105MPa，C80、C55混凝土弹性模量分别取3.8×104、3.55×104MPa。

图2 主拱圈横断面图(单位：cm)

2 主拱圈施工方案对比

该桥主拱圈劲性骨架划分为18个节段(拱顶20 cm合龙段除外)，拱圈截面自拱脚向拱顶依次编号，编号与劲性骨架分段编号一致，如图3所示。主拱圈施工过程中，外包混凝土浇筑分为底板、腹板、顶板3环。该文拟对第1环(底板外包混凝土)施工过程进行研究。为研究主拱圈劲性骨架带底板吊装施工方法的可行性，基于分环分段均衡浇筑法，拟定两个方案如下：

图3 拱圈截面编号

方案1：主拱圈外包混凝土沿拱圈纵向分6个工作面，如图4所示。拱圈外包混凝土进行两岸同步对称浇筑，各工作面长度基本相同，约为36 m，每个工作面分为6个浇筑段，单次浇筑长度约为6 m。混凝土浇筑需经过6次循环，每次浇筑都是从工作面1开始至工作面3结束，浇筑方向为拱脚至拱顶，具体施工工序如表1所示。

方案2：主拱圈劲性骨架在梁场预制底板混凝土，从而实现劲性骨架的带底板施工。前后两吊装节段接头处，底板混凝土各预留60 cm作为底板湿接缝。湿接缝滞后节段吊装两个节段开始浇筑即吊装3节段以后再浇筑1#、2#节段之间底板混凝土湿接缝。为了优化拱脚处下弦管受力状况，2#节段吊装完成后提前灌注1#节段下弦管混凝土。主拱圈拱脚封铰后，1#、2#节段扣索索力值较小，且会对拱脚处底板封铰混凝土受力造成不利影响。因此，7#节段吊装完成以后，提前拆除1#、2#节段扣索，以保障拱脚底板混凝土的安全。具体施工工序如表2所示。

图4 混凝土浇筑工作面及浇筑段

表1 方案1施工工序

表2 方案2施工工序

3 计算结果分析

主拱圈混凝土在分环浇筑施工过程中，第1环的浇筑风险最大，且方案1、2在第2、3环混凝土浇筑过程中浇筑工序完全一致，因此，该文仅对第1环混凝土施工完成以前的主拱圈施工过程进行分析。通过对比各关键控制截面的结构应力，对主拱圈劲性骨架带底板吊装施工方法进行研究。

3.1 主拱圈弦管应力分析

弦管在主拱圈施工过程中的结构应力(瞬时应力)水平不高，且小于一环完成后的环末应力(永存应力)。因此，主拱圈弦管应力分析仅考虑方案1、2的弦管永存应力。上、下弦管应力变化曲线如图5所示，图中应力以受拉为正、受压为负(下同)。

图5 拱圈上、下弦管永存应力图

由图5可知：

(1) 方案2上弦管各截面永存应力均小于方案1。方案1、2拱脚截面上弦管永存应力值分别为-151.2、-122.2 MPa；拱顶截面上弦管永存应力值分别为-100.6、-61.0 MPa；L/4截面上弦管永存应力值分别为-67.6、-10.9 MPa。方案2中拱脚、拱顶及L/4截面的永存应力仅为方案1中永存应力的80.82%、60.64%、16.12%。

(2) 由于方案1主拱圈分为6个外包混凝土浇筑工作面，各工作面交界处下弦管应力水平较高且变化较大。因此，应力图中明显存在2次较大的应力水平波动。方案2的应力图也存在一定的波动，各波谷位置均对应于底板混凝土湿接缝处下弦管。方案1、2拱脚截面下弦管永存应力值分别为-93.7、-119.8 MPa，后者比前者增加了27.85%；拱顶截面下弦管永存应力值分别为-85.0、-23.2 MPa，后者比前者减小了72.71%；L/4截面下弦管永存应力值分别为-98.7、-33.7 MPa，后者比前者减少了65.86%。方案2中，拱脚处有1.5 m拱脚底板封铰混凝土，该处混凝土在拱脚封铰后进行浇筑。因此，在拱脚封铰之前，拱脚处承受的压力仅由下弦管承受。尽管方案2中提前灌注了1#节段下弦管管内混凝土，可以降低下弦管钢管应力水平，但是方案2节段重量远大于方案1，所以方案2拱脚处下弦管应力值大于方案1。除靠近拱脚截面处，方案2下弦管应力水平均远小于方案1，且应力波动幅值较小。

3.2 主拱圈底板混凝土应力分析

混凝土抗压性能好，拱圈底板混凝土不会出现压应力超限风险。因此，仅对方案1、2中底板混凝土最大应力即可能存在的拉应力进行对比分析。

根据JTG D62-2012《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》，C55混凝土抗拉强度标准值ftk=2.74 MPa、抗拉强度设计值ftd=1.89 MPa，对施工过程中底板混凝土瞬时应力设定1.8 MPa预警值。方案1在浇筑3-5底板混凝土时，3#、4#节段接头处混凝土应力为2.2 MPa，超出预警值；方案2在CS7-5#节段吊装时，3#节段底板混凝土前端拉应力超出预警值，达到1.9 MPa。方案1、2瞬时应力均小于2.74 MPa，满足规范要求。

方案1、2的拱圈顶板混凝土永存应力如图6所示。

由图6可知：

(1)由于方案1在底板混凝土浇筑过程中劲性骨架刚度较低，主拱圈反复变形给底板混凝土带来一定风险。混凝土底板采用板单元进行模拟，且图中所给定底板应力值均为该处截面位置各个板单元中应力最大值，所以会出现底板顶面、底面均产生拉应力的情况。例如：在4号截面即1#、2#节段接头处，底板混凝土顶面的边缘有0.6 MPa拉应力，底板混凝土底面的中心有0.3 MPa压应力。

图6 拱圈底板混凝土永存应力图

(2) 方案1中底板顶面最大拉应力为1.3 MPa，且图形存在两个明显波峰，此处为工作面交界处。方案2中底板顶面最大拉应力为1.2 MPa，此处为靠近L/4的节段底板湿接缝处。对比两方案的底板顶面应力，方案2最大拉应力略小于方案1，应力波动变化较小(除拱脚处)，平均应力水平高于方案1，但两者均可满足规范要求。

(3)方案1中底板底面最大拉应力为1.3 MPa，满足规范要求，但远大于方案2中的0.5 MPa。相比方案1，方案2应力变化幅度较小，底板混凝土底面受力更合理。