童加明, 鄧年春, 林春姣, 李顥旭, 李長勝, 周大為

(廣西大學(xué) a.土木建筑工程學(xué)院; b.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南寧 530004)

鐵路線路跨越山區(qū)“U”型或“V”型峽谷時(shí), 由于地形條件的限制, 常常會選擇拱橋橋型。目前世界上的最大跨徑鋼筋混凝土拱橋?yàn)闇ジ哞F北盤江特大橋，主跨長445 m[1], 尚未突破500 m。 而大跨徑的鋼筋混凝土拱橋無論懸拼、 懸澆施工都非常困難, 風(fēng)險(xiǎn)大, 不宜突破300 m[2], 且在我國超過300 m的混凝土拱橋, 全是勁性骨架混凝土拱橋[2-3]。鐵路選線在方案比選時(shí)常遇到橋位控制線位的情況, 因此對更大跨徑拱橋的需求日益迫切。

混凝土拱橋自重較大, 尤其隨著跨徑的增大, 施工也愈加困難, 將大體量混凝土成功形成拱圈， 受力是大跨徑混凝土拱橋施工所應(yīng)考慮的重要問題。國內(nèi)采用懸臂施工+勁性骨架的組合施工法建成了210 m跨徑的夜郎湖大橋[4]， 國外(克羅地亞)采用超高強(qiáng)混凝土(活性粉末混凝土RPC)建成了跨度達(dá)432 m的巴卡爾橋[5]。完整的勁性骨架、 分環(huán)分段澆筑外包混凝土是中國獨(dú)創(chuàng)的混凝土拱橋成拱方式, 也是大跨徑混凝土拱橋修建的關(guān)鍵技術(shù), 420 m的萬縣長江大橋、 南盤江特大橋、 北盤江特大橋均采用了分環(huán)分段的澆筑方法。張富貴等[6]以昭化嘉陵江大橋?yàn)檠芯繉ο螅?分析了縱向不同分段施工對骨架受力變形的影響。 吳海軍等[7]以廣安官盛渠特大橋?yàn)檠芯繉ο? 分析了不同分環(huán)方案對結(jié)構(gòu)受力的影響。但還未見不同橫向澆筑方案比較報(bào)道, 且對于600 m級跨徑的拱橋還未有實(shí)際的工程案例作為參考, 研究合理的外包混凝土方法對拱橋施工階段的受力、 變形極其重要。本文采用有限元軟件研究不同外包混凝土澆筑方案下, 勁性骨架在施工中的受力與變形, 選定出合理的外包混凝土施工方案, 為600 m級混凝土拱橋拱圈的修建提供參考與借鑒。

1 工程概況

勁性骨架混凝土拱橋?yàn)榭缭缴絽^(qū)峽谷的一種重要橋型, 隨著對更大跨徑混凝土拱橋需求的增加, 首先要解決將大體量混凝土外包在勁性骨上的問題。 本文以一座千米級懸索橋橋址為背景, 在已建成同類型上承式勁性骨架混凝土拱橋的設(shè)計(jì)和施工基礎(chǔ)上, 初擬600 m勁性骨架混凝土拱橋的設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)： 主拱計(jì)算跨徑為600 m, 矢高125 m, 矢架跨比1/4.8, 拱軸系數(shù)1.8的懸鏈線。拱橋的設(shè)計(jì)立面圖見圖1, 主拱圈采用單箱三室, 變寬度截面, 從拱腳至76 m處, 拱箱寬度由拱腳38 m變化至30 m, 其余部分等寬。拱箱為等高度12 m。等寬與變寬段拱箱截面如圖2、 3所示。邊箱混凝土均為變厚度, 邊底板最厚拱腳110 cm, 拱頂最薄65 cm, 邊頂板拱腳最厚90 cm, 拱頂最薄65 cm, 邊腹板由拱腳60 cm變至頂板50 cm。中箱室均為等厚度, 中頂、 底板為60 cm, 中腹板為50 cm。弦桿采用Φ850 mm×26 mm等直徑、 等厚度的Q420鋼管, 腹桿、 平橫聯(lián)主要采用Q345的角鋼, 管內(nèi)混凝土灌注C80混凝土, 外包混凝土采用高強(qiáng)C80混凝土。勁性骨架采用斜拉扣掛體系拼裝成拱, 合攏后一次調(diào)索至理想線型后拆除扣索, 并按照“內(nèi)下弦管—外下弦管—內(nèi)上弦管—外上弦管”的順序連續(xù)澆筑管內(nèi)混凝土, 形成鋼管混凝土拱結(jié)構(gòu), 外包混凝土分6環(huán)多工作面澆筑, 橫向?qū)⒐叭?拱肋)截面分為6環(huán), 先完成一環(huán)混凝土的縱向澆筑待其獲得強(qiáng)度參與工作后, 再進(jìn)行下一環(huán)的施工, 直至完成全部外包混凝土。

圖1 主橋的立面布置圖

圖2 拱頂附近等截面

圖3 拱腳附近變截面

2 有限元模型

拱橋主拱圈外包混凝土的施工工序利用有限元軟件Midas Civil模擬, 建立梁板系有限元模型[8], 該橋模型共建立13 687個(gè)單元, 3 026個(gè)節(jié)點(diǎn)。鋼管弦管與管內(nèi)混凝土采用施工聯(lián)合截面梁單元模擬; 腹桿及橫撐等采用梁單元模擬; 外包混凝土采用板單元模擬, 未達(dá)到強(qiáng)度的混凝土濕重以無限小彈性模量的板單元自重的形式施加, 與拱肋梁單元共用節(jié)點(diǎn); 拱腳采用固結(jié)約束。各組斜拉扣索以等效節(jié)點(diǎn)(大小及方向相同)處的荷載代替扣索索力, 并作用在扣點(diǎn)處。對單元設(shè)置結(jié)構(gòu)組與荷載組, 通過“激活與鈍化”技術(shù)實(shí)現(xiàn)外包混凝土的分環(huán)多工作面澆筑, 有限元模型見圖4。Q420與Q370q鋼材彈性模量為2.1×108kN/m2, 容重為78.5 kN/m3, C80混凝土彈性模量為3.8×107kN/m2, 容重為25.0 kN/m3。本文采用此方法對600 m級勁性骨架混凝土拱橋外包混凝土的澆筑進(jìn)行探討, 對工作面數(shù)、 分段數(shù)、 橫向分環(huán)澆筑順序進(jìn)行方案對比, 分析勁性骨架的受力與變形。

圖4 600 m拱橋有限元模型

3 外包混凝土澆筑方案分析

由模型分析可知, 下弦管在1/8截面鋼管和管內(nèi)、 上弦管在拱頂處鋼管與管內(nèi)混凝土應(yīng)力值最大, 且上弦管管內(nèi)混凝土在拱腳處易出現(xiàn)拉應(yīng)力, 故選取1/8截面和拱頂截面作為以下方案對比中應(yīng)力水平控制截面。

3.1 外包混凝土工作面澆筑方案

在勁性骨架成拱的條件下, 通常采用分環(huán)多工作面法澆筑外包混凝土, 各工作面又分若干澆筑小段, 采用多套設(shè)備在各工作面作業(yè), 對稱循環(huán)往復(fù)澆筑直至完成全部外包混凝土。此方法屬于無外力自平衡方法, 雖然能使勁性骨架受力均勻、 有效降低一環(huán)混凝土澆筑過程中的瞬時(shí)應(yīng)力, 使變形更加合理, 但也導(dǎo)致了施工縫的大量產(chǎn)生, 增加了施工成本和工期?？紤]混凝土拌置和運(yùn)輸能力， 以及多工作面所需要的施工器械因素, 本文在全橋劃分20小段的情況下, 模擬四工作面與六工作面兩種情況下的澆筑方案, 各工作面按照編號同時(shí)澆筑, 不同工作面具體劃分方案見圖5。

圖5 不同工作面劃分方案

表1列出了不同工作面下各環(huán)澆筑完成后骨架控制截面的應(yīng)力情況， 比較可知: (1)工作面劃分?jǐn)?shù)目不同， 勁性骨架最大壓應(yīng)力位置也不同： 六工作面下, 骨架下弦(1/8截面)受力更大, 四工作面下, 骨架上弦(拱頂截面)受力更大。 (2)六工作面鋼管最大壓應(yīng)力為-348 MPa, 管內(nèi)混凝土最大壓應(yīng)力為-45.7 MPa, 均出現(xiàn)在1/8截面下弦, 管內(nèi)混凝土已接近C80混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值50.2 MPa, 應(yīng)力儲備水平有限； 斜拉索對特殊位置的截面應(yīng)力有很好的調(diào)整作用, 并在實(shí)際工程中得到驗(yàn)證[9], 且經(jīng)模擬發(fā)現(xiàn)， 斜拉索對1/8、 1/4截面的應(yīng)力調(diào)載有限,而對拱腳與拱頂截面有較好的調(diào)整能力。(3)四工作面的最大鋼管和管內(nèi)混凝土壓應(yīng)力均出現(xiàn)在拱頂上弦,最大鋼管應(yīng)力與六工作面相當(dāng),為-349 MPa, 最大管內(nèi)混凝土壓應(yīng)力為-42.7 MPa,比六工作面低3.0 MPa,拱腳上緣管內(nèi)混凝土出現(xiàn)4.71 MPa的拉應(yīng)力,但拱腳拉應(yīng)力可通過斜拉索或澆筑順序得以優(yōu)化,且考慮混凝土拌置和運(yùn)輸能力以及多工作面所需要的施工器械因素,選取四工作面澆筑。

表1 不同工作面下骨架控制截面應(yīng)力值

3.2 外包混凝土分段澆筑方案

工作面分段數(shù)的不同[11]影響著施工工期及勁性骨架的受力, 在上述四工作面基礎(chǔ)上分析3種不同分段數(shù)下(每工作面分別為4、 5、 6小段)勁性骨架受力與變形情況, 具體分段方式見圖6, 并對3種方案下控制截面的應(yīng)力與變形進(jìn)行了分析。

圖6 工作面不同分段數(shù)示意圖

由圖7可知, 隨著工作面分段數(shù)的增加, 拱腳截面下弦管和管內(nèi)混凝土壓應(yīng)力逐漸減小, 鋼管壓應(yīng)力由方案一的-296 MPa減小至方案三的-269 MPa, 管內(nèi)混凝土壓應(yīng)力由-37.9 MPa減少到-33.1 MPa, 說明單次澆筑量的減少會使拱腳下弦管受力更有利; 但由圖8可知, 拱頂截面上弦鋼管和管內(nèi)混凝土壓應(yīng)力水平卻有逐漸增加, 變化幅度沒有拱腳段變化幅度大, 鋼管壓應(yīng)力由方案一的-324 MPa逐漸增加至方案三的-329 MPa, 管內(nèi)混凝土壓應(yīng)力由方案一的-38.1 MPa逐漸增加至方案三的-39.0 MPa, 綜合拱腳與拱頂受力情況, 方案二受力更為合理(橫坐標(biāo)均代表Midas Civil中施工階段)。

圖7 拱腳下弦鋼管應(yīng)力(a)與管內(nèi)混凝土應(yīng)力(b)

圖8 拱頂上弦鋼管應(yīng)力(a)與管內(nèi)混凝土應(yīng)力(b)

由圖9可知, 工作面的分段數(shù)量并不會引起拱頂撓度的大幅變化, 拱頂撓度變化幅度相近, 但最終下?lián)狭侩S著分段數(shù)的增加略有減小, 由方案一的-697.01 mm逐漸減小至方案三的-681.37 mm。

圖9 拱頂截面撓度變化

綜合考慮骨架的受力與變形, 方案一拱腳截面下弦管壓應(yīng)力最大, 而拱頂上線管壓應(yīng)力最小; 而方案三拱腳下弦管壓應(yīng)力最小, 拱頂上線管壓應(yīng)力最大, 故采取折中方案, 方案二的拱腳與拱頂?shù)氖芰Ω鼮楹侠? 另外, 方案二的施工縫數(shù)量較方案三更少, 混凝土整體強(qiáng)度較高, 單次澆筑量較方案三更強(qiáng), 更能縮短施工時(shí)長, 故選取方案二的工作面分5小段澆筑。

3.3 外包混凝土橫向澆筑方案

已建相似橋梁的澆筑順序多按橫向順序一的方法, 是將腹板分為上、 下腹板分開澆筑, 本文考慮將腹板一次澆筑, 先澆筑中腹板再澆筑邊腹板, 3種具體澆筑順序方案如表2和圖10所示。

圖10 不同橫向澆筑順序示意圖

表2 不同橫向澆筑順序方案

表3為各方案下勁性骨架控制截面在澆筑各環(huán)后的受力情況。隨著先行澆筑環(huán)的強(qiáng)度形成, 之后澆筑一環(huán)的壓應(yīng)力增長量低于前期澆筑環(huán)的壓應(yīng)力增長量; 腹板一次澆筑對上下弦壓應(yīng)力水平均有明顯改善, 方案三較方案一, 鋼管最大壓應(yīng)力由-349 MPa減小為-326 MPa, 減少23 MPa, 降幅達(dá)6.6%, 管內(nèi)混凝土最大壓應(yīng)力由-42.7 MPa減小為-38.5 MPa, 減少4.2 MPa, 降幅達(dá)9.8%; 方案一、 三上弦管拱腳管內(nèi)混凝土出現(xiàn)拉應(yīng)力, 可通過斜拉索調(diào)整, 在s2處施加兩組斜拉扣索[9](采用Φ15.24 mm鋼絞線, 每組索力值200 kN, 斜拉扣索的剛度小, 在混凝土澆筑過程中引起的索力變化也小, 故假定張拉扣索后的索力不變), 消除澆筑過程中拱腳上弦管內(nèi)混凝土出現(xiàn)的4.71 MPa拉應(yīng)力。方案二增加了上弦管拱腳管內(nèi)混凝土拉應(yīng)力, 達(dá)8.04 MPa。

表3 不同橫向澆筑順序下各環(huán)澆筑完成時(shí)勁性骨架上下緣最大應(yīng)力

方案二在第2環(huán)澆筑過程中拱頂出現(xiàn)較大的反復(fù)撓曲變形(圖11), 方案三與方案一拱頂撓度變化趨勢相近, 且方案三拱頂最大撓度為-691.67 mm, 方案一拱頂最大撓度-750.75 mm, 減小了59.08 mm, 降幅達(dá)7.87%, 可見方案三能有效降低拱頂?shù)南聯(lián)狭?。拱圈截面是分層逐步形? 后澆的混凝土重量由勁性骨架和先澆部分混凝土共同承擔(dān), 邊底板是最先形成強(qiáng)度參與受力, 故為各環(huán)外包混凝土中受力最大的一環(huán)。圖12為邊底板1/8截面處外包混凝土在施工過程中的應(yīng)力變化, 方案一最大壓應(yīng)力為-26.1 MPa, 方案二最大壓應(yīng)力為-21.5 MPa, 方案三最大壓應(yīng)力為-22.9 MPa, 方案二、 三外包混凝土應(yīng)力水平均比方案一較小, 且遠(yuǎn)低于C80混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值, 較為安全。

圖11 拱頂截面撓度變化

圖12 邊底板混凝土應(yīng)力變化

3.4 外包混凝土澆筑穩(wěn)定性分析

勁性骨架拱橋在施工過程中穩(wěn)定性控制與截面的應(yīng)力能否滿足要求同樣重要, 通過大量的工程經(jīng)驗(yàn), 國內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)認(rèn)為拱橋施工過程中一階穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)大于4。本文在分析結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性過程中不考慮結(jié)構(gòu)非線形穩(wěn)定性, 僅考慮結(jié)構(gòu)的線彈性穩(wěn)定性問題， 且第1環(huán)是整個(gè)外包混凝土澆筑最敏感、 穩(wěn)定性最低的階段。 圖13為拱圈邊箱外包底板混凝土施工過程中的線彈性穩(wěn)定系數(shù), 可見在底板澆筑過程中, 結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)均大于4, 滿足拱橋施工過程中對穩(wěn)定性的要求。故從勁性骨架受力與變形、 外包混凝土受力的角度分析, 方案三為更合理的橫向澆筑順序, 且滿足施工穩(wěn)定性的要求。

圖13 邊底板施工各階段線彈性穩(wěn)定系數(shù)

4 結(jié) 論

本文對600 m級混凝土拱橋外包混凝土的施工方案計(jì)算對比分析了不同工作面、 分段數(shù)與橫向澆筑順序?qū)判怨羌苁芰εc變形的影響, 得出較優(yōu)的外包混凝土方案和以下結(jié)論:

1)工作面劃分?jǐn)?shù)目不同, 勁性骨架最大壓應(yīng)力位置也不同； 拱頂截面上弦管應(yīng)力水平與1/8截面下弦管應(yīng)力水平接近, 也應(yīng)特殊關(guān)注； 四工作面澆筑方案比六工作面最大管內(nèi)混凝土減小3.0 MPa。

2)隨著工作面分段數(shù)的增加, 拱腳截面下弦管和管內(nèi)混凝土壓應(yīng)力逐漸減小; 拱頂截面上弦鋼管和管內(nèi)混凝土壓應(yīng)力水平卻有逐漸增加, 但變化幅度沒有拱腳段變化幅度大; 最終拱頂下?lián)狭侩S著分段數(shù)的增加略有減小。

3)橫向澆筑順序三相比之前經(jīng)驗(yàn)的橫向澆筑順序, 對上下弦應(yīng)力水平均有明顯改善, 鋼管最大壓應(yīng)力減少25 MPa, 降幅達(dá)7.2%, 管內(nèi)混凝土最大壓應(yīng)力減小4.5 MPa, 降幅達(dá)10.5%, 拱頂最大撓度減小59.08 mm, 降幅達(dá)7.87%， 達(dá)到了較好的優(yōu)化效果。