杜迎东，王起才，张戎令，杨阳，惠兵，郑建锋

(1.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2.中铁二十一局集团第四工程有限公司，陕西 西安 710065)



钢管混凝土系杆拱桥拱肋内混凝土不同浇筑工序差异研究

杜迎东1，王起才1，张戎令1，杨阳1，惠兵2，郑建锋2

(1.兰州交通大学 土木工程学院，甘肃 兰州 730070；2.中铁二十一局集团第四工程有限公司，陕西 西安 710065)

摘要:钢管混凝土系杆拱桥在浇筑拱肋内混凝土时，由于各种因素影响，经常出现实际浇筑方案与理论浇筑方案间存在差异的问题。为此，采用三维有限元分析软件MIDAS/civil模拟钢管混凝土哑铃型截面拱肋内混凝土浇筑的7种工序，分别从位移和应力角度对比不同浇筑方案之间的差异，找到拱肋内混凝土的最佳浇筑方案，指出其他6种浇筑方案的不合理性，并量化给出这6种浇筑方案与最佳浇筑方案间位移和应力的差异。研究结果表明：先横向左、右下弦管同时对称浇筑、再横向左、右上弦管同时对称浇筑是最佳浇筑方案，在混凝土实际浇筑施工中应尽可能采用此种方案。

关键词：钢管混凝土；系杆拱桥；拱肋混凝土浇筑施工；最佳浇筑方案

钢管混凝土系杆拱桥以钢管混凝土特有的力学性能和技术优势，展示出强劲的生命力，近年来得到迅猛发展[1-3]。哑铃型截面是其拱肋常见截面[4]，20世纪90年代以来，钢管混凝土拱桥在我国已经得到广泛应用，其计算理论和施工问题已取得相当多的研究成果[5]。但在实际施工中，由于场地受限、施工组织不合理等因素，往往不能依照理论要求施工，以致出现许多非对称施工现象，严重威胁着结构施工和运营安全。一些已竣工的大跨度系杆拱桥就存在由于拱肋内混凝土非对称浇筑施工而造成的结构某些部位内力、位移偏大或整体失稳等情况。为此就要加大施工控制的力度，以保证施工过程中每个构件的应力和变形均在允许的误差范围内[6-7]。许多学者对拱肋内混凝土浇筑施工做了大量的研究。陈宝春等[4]对浇筑拱肋内混凝土时钢管拱肋的截面应力进行了分析，考虑了各种浇筑顺序和工况；张治成[5]在处理施工荷载时，充分考虑了液态混凝土的复杂力学性质，提出了分配液态混凝土自重荷载的新方法，并通过温度荷载等效模拟混凝土的自膨胀效应及水化热效应对结构内力的影响；郑建荣等[8]分析了对称浇筑及纵桥向浇筑高差0.3，0.5和1 m 3种情况下拱肋竖向变形的变化规律；何雄君等[9]以主拱组合结构的弯矩余能极小为目标，使成桥拱轴线逼近其恒载压力线，建立混凝土浇筑优化方案理论；杜迎东等[10]模拟了拱肋对称浇筑(左、右榀拱肋上、下弦管同时浇筑)和非对称浇筑(先浇筑一榀的上、下弦管)2种情形，分析2种情形中拱肋和系梁在单侧浇筑一半、单侧浇筑完毕和徐变作用3种工况下相同位置处的位移、弯矩变化规律，量化指出了非对称浇筑的弊端。文章基于有限元分析软件MIDAS，模拟拱肋内混凝土7种浇筑工序，将7种工序结果对比分析，重点分析不同工序位移和内力变化规律进而找出最优浇筑方案，为后续同类型桥梁的建造提供参考。

1研究背景

某钢管混凝土系杆拱桥，拱轴线为二次抛物线，矢高26.5 m，计算跨径128 m，矢跨比f/L=1/5，结构设计形式为刚性系梁刚性拱，采用先梁后拱法施工，拱肋内混凝土浇筑完毕后按设计顺序依次张拉吊杆。系梁全长131 m，在满堂支架上分5段浇筑施工，系梁采用全预应力钢筋混凝土单箱三室截面，梁高3.0 m，底宽12.04 m，顶宽14.7m。横向设置两榀拱肋，上、下弦管中心距2.2 m，拱肋截面高3.5 m，拱肋截面形式为外径φ=130 cm、壁厚δ=26 mm的钢管混凝土哑铃型截面，两榀间距为11.4 m，其内浇筑C55微膨胀混凝土。全桥共17组吊杆，每组包含同一横断面左、右榀拱肋各一对吊杆，每对包含a和b 2根吊杆，全桥共68根吊杆。

2拱桥结构有限元模拟方法

2.1有限元模型建立方法

利用MIDAS/civil _2013有限元分析软件[11-12]以横桥向为x轴，纵桥向为y轴，竖桥向为z轴建立整座系杆拱桥三维有限元模型。模型共包含495个节点，447个单元。系梁、拱肋和横撑采用梁单元模拟，共379个梁单元，吊杆采用只受拉桁架单元模拟，共68个桁架单元。建模时将钢管拱肋的钢材截面用与之等效的混凝土截面替代(须保证结构在受力和位移方面与原截面等效)。系梁设置4个永久支座和2个临时支座。4个永久支座在系梁的满堂支架拆除时全部激活，2个临时支座从系梁浇筑阶段一直持续存在到最后一根吊杆张拉完毕。2种支座设置具体如下：4个永久支座：约束横桥向、纵桥向和竖桥向平动自由度x，y和z，释放转动自由度Rx；约束纵桥向和竖桥向平动自由度y和z，释放转动自由度Rx；约束横桥向和竖桥向平动自由度x和z，释放转动自由度Rx；约束竖桥向自由度z，释放转动自由度Rx。

2个临时支座：固定端只约束横桥向和纵桥向平动自由度x和y，释放转动自由度Rx；活动端只约束纵向平动自由度y，释放转动自由度Rx。

吊杆张拉施工采用在吊杆两端施加体外力的方法模拟。主拱肋采用按钢管骨架重量均匀分配的原则作用于对应拱脚节点上；横向联系与主拱肋间采用刚性连接；吊杆与拱肋、系梁间连接的模拟思路为：根据吊杆锚固设计图预先建立实际锚固连接点，然后与对应的拱肋、系梁节点采用刚性连接添加刚臂的方法来模拟。主要材料参数如表1所示。

表1　主要材料参数

表2　拱肋7种浇筑工序

(a)工序1；(b)工序2；(c)工序3；(d)工序4 ；(e)工序5；(f)工序6；(g)工序7图1　拱肋7种浇筑工序Fig.1 Kinds of pouring conditions of the arch rib

注：图1中数字代表浇筑先后顺序

2.2拱肋内混凝土浇筑施工的模拟

有限元模型包含自重、预应力荷载、吊杆索力和二期恒载4种静力荷载工况，基准工序(工序7)模型包括29个施工阶段。工序1包括38个施工阶段。其他工序按照图1所示浇筑顺序对基准工序加以改动，根据现场拱肋内混凝土浇筑平均速度，对模型施工阶段加以细分，输入浇筑持续时间来模拟混凝土浇筑过程，浇筑完成部分的截面为钢管混凝土施工阶段联合截面，没浇筑的部分截面则为普通钢管截面。系杆拱桥全桥整体模型如图2所示。

3有限元软件运行结果分析

研究基于某钢管混凝土系杆拱桥施工监测，依据监测方案，系梁L/4和L/2截面传感器布置如图3(a)和3(b)所示，拱肋截面传感器布置如图3(c)所示，实测数据均为全部吊杆张拉结束之后相应位置的位移和应力实际值。

图2　系杆拱桥全桥整体模型Fig.2 Whole model of the tied arch bridge

a)系梁L/4截面；(b)系梁L/2截面；(c)拱肋截面图3　传感器布置图Fig.3 Arrangement of the sensor

由于桥梁纵桥向对称，因此省略3L/4截面的数据而只列出系梁和拱肋L/4截面和L/2截面数据；拱肋和系梁位移选择相应截面顶端进行测量，因此仅列出相应截面A和B位置的数据。纵向浇筑顺序认为对称浇筑，无浇筑高差。位移使用水准仪测量，应力采集的方法为：使用钢筋弦式应力传感器配合三弦测试仪定期进行数据采集。

从表3和表5中的工序1及表4和表6可以看出，实测值与有限元软件模型值的偏差较小，系梁L/4 A，拱肋L/4 A，系梁L/2 A和拱肋L/2 A位置处位移模型值与实测值偏差分别为1.3%，-2.7%，-0.7%和0；应力模型值与实测值偏差分别为-1.0%，0，-2.9%和0，说明有限元模型在计算参数的选取、计算模型的建立方面能与施工实际吻合较好，由此可以验证有限元模型建模和计算的正确性。

表3　不同工序下拱肋和系梁位移

表4　其他工序与基准工序相应位置位移值对比

表5　不同工序下拱肋和系梁应力

表6　其他工序与基准工序相应位置应力值对比

从表3和表5可以看出，工序2和工序4整体上位移值和应力值比工序3和工序5小，工序7比工序6位移值和应力值要小，工序2，工序4和工序7采用先浇筑下弦管再浇筑上弦管方式，这是因为拱肋钢管高程相对较大，若先浇筑高程更大的上弦管，会加剧横桥向的不稳定性，带来位移值和应力值的偏差，对比工序2，工序4，工序3和工序5可以看出浇筑时两侧交叉浇筑比均从一侧浇筑的结果更优。

从表3，表5，表4和表6可以看出，工序7的拱肋和系梁位移值和应力值最小，是7个工序中最合理的，该工序先同时浇筑左、右下弦管，再同时浇筑左、右上弦管。这种浇筑顺工两侧对称浇筑，可以很好的削弱由于非对称浇筑(先浇筑一侧再浇筑另一侧)带来的弊端，文献[10]指出，非对称浇筑时拱肋的位移最大比对称浇筑的大26.1%，弯矩最大比对称浇筑的大164.3%；非对称浇筑时系梁的位移最大比对称浇筑的大24.3%，弯矩最大比对称浇筑的大13.4%。

从表4和表6可以看出，系梁L/2 A、拱肋L/2 A位置处其他工序与基准工序的位移偏差较小，其他位置的偏差均在10%左右，系梁L/2 A处其他工序与基准工序应力偏差相比拱肋应力偏差要小，这是由于拱肋和系梁L/2处的吊杆是典型的长吊杆，使用张戎令等[13]提出的考虑转动惯量和剪切变形耦合的铰接吊杆索力实用计算公式可以较为精确得计算吊杆索力，精确的吊杆索力可以对不合理浇筑工序的弊端产生一定的改善作用，且其对位移的改善效果比对应力的改善效果明显。

4结论

1)有限元模型所取的计算参数及计算模型能与实际桥梁吻合较好，可为后续相同结构桥梁的建模提供参考。

2)采用先浇筑下弦管再浇筑上弦管的工序可以降低施工中位移值和应力值过大的风险，两侧交叉浇筑相比仅从一侧浇筑结果更优。先同时浇筑左、右下弦管，再同时浇筑左、右上弦管这种浇筑工序最为合理，这种浇筑工序两侧对称浇筑，可以有效地削弱非对称浇筑带来的弊端。

3)张拉吊杆可对非对称浇筑的不利影响产生抵消效应。精确的吊杆索力可以对不合理浇筑工序的弊端产生一定有利作用，且期对位移值改善效果比对应力值改善效果明显。

4)不合理的浇筑工序会增加结构建造过程中的位移和应力过大风险，为了保证结构建造和运营过程中的线形要求及应力安全，钢管混凝土哑铃型截面应尽可能按照工序7所示工序进行拱肋内混凝土浇筑施工。

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(编辑蒋学东)

Discuss on different processes of concrete pouring in the arch rib of CFST

DU Yingdong1, WANG Qicai1, ZHANG Rongling1, YANG Yang1, HUI Bing2, ZHENG Jianfeng2

(1.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China;2. China Railway twenty-one Bureau Group Fourth Engineering Co.,Ltd,Xi’an 710065,China)

Abstract：Due to many factors, the differences between actual plan and theoretical plan often existes during the construction of concrete pouring in the tied arch bridge of CFST. The 3D finite element analysis software MIDAS/civil was used to simulate 7 kinds of pouring conditions of concrete in the dumbbell-shaped section of CFST. Comparing the displacement and stress between different pouring plans respectively, we found the best pouring plan of concrete in the arch rib, and pointed out the irrationality of other 6 pouring plans.Thenquantitatively the difference of displacement and stress between the 6 kinds of plans and the best pouring plan was given.The results show that the plan of left and right lower tube symmetrical pouring at the same time and then left and right upper tube symmetrical pouring at the same time is the best pouring plan, This plan should be elected in the actual pouring construction as soon as possible.

Key words：CFST; tied arch bridge; arch rib pouring construction; best pouring plan

中图分类号：U448.22

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)03-0500-06

通讯作者：王起才(1962-)，男，河北晋州人，教授，从事工程新材料预应力研究；E-mail：1398451253@qq.com

基金项目：长江学者和创新团队发展计划项目(IRT1139)；铁道部科技研究开发计划项目(2012G011-A)

收稿日期：2015-07-21