哑铃形拱肋缀板腔混凝土施工应力分析

刘代琪 [1]

中铁二局第五工程有限公司，四川 成都 610091

摘要：针对钢管混凝土拱桥哑铃形拱肋截面在进行缀板腔混凝土施工阶段易发生缀板鼓凸，甚至缀板腔爆裂事故的问题，以南浦溪特大桥为依托，采用有限元软件建立模型，对灌注混凝土阶段，哑铃型拱肋截面应力进行分析。从增设缀板腔对拉构件、增加缀板厚度两方面探索混凝土施工阶段哑铃型截面应力改善规律。提出今后类似结构设计、施工应注意的事项和改进方向。

关键词：桥梁工程；钢管混凝土拱桥；哑铃形拱肋截面；应力分析；施工

0 引言

哑铃形截面广泛应用于钢管混凝土拱桥拱肋，目前出现的形式主要包括横向哑铃和竖向哑铃两种。横向哑铃主要出现在由4根主管组成的桁架拱肋中，上弦或下弦两根钢管横向间通过缀板连接，上弦和下弦各形成一个横向哑铃。竖向哑铃主要出现在拱肋由上下弦两根钢管组成，上下弦钢管竖向间通过缀板（通常称为腹板）连接，上下弦与缀板形成一个竖向哑铃。缀板腔混凝土施工阶段，混凝土未凝固前，缀板需承受较大的压应力。压应力主要由混凝土侧压力、泵送压力等组成，分别由缀板腔混凝土顶底面高差和施工方法决定，与哑铃形截面处于横向、竖向或其它姿态关系较小。本文依托工程南浦溪特大桥拱肋为横向哑铃形截面，以此进行研究具有广泛意义。

目前，国内外哑铃形截面拱肋混凝土施工阶段的应力研究工作已具有一定基础，影响较大的为我国陈宝春教授团队在文献[1]中提出的研究成果，其提出的“哑铃形截面拱肋应先灌注管内混凝土，再灌注缀板腔混凝土”观点已得到行业普遍认可。本文在此基础上，分析拉杆和开孔板两种缀板加固方式、分仓浇筑和泵送顶升两种混凝土施工工艺的优缺点；采用有限元软件进行建模，探索不同厚度缀板、开孔板情况哑铃形截面应力变化规律，探寻合理的哑铃形拱肋截面结构。

1 工程概况

南浦溪特大桥全长444.96m，主跨为258m上承式钢管混凝土拱桥，拱轴按悬链线布置，计算矢高56.087m，计算矢跨比1/4.6。拱肋由4根φ1200×22mm主钢管组成，主钢管横向间通过δ12mm缀板连接，竖向间通过φ600×16mm腹杆连接，形成外轮廓为5.5×3m的等截面桁架结构，主钢管及缀板腔内均填充C50自密实微膨胀混凝土，详见图1、图2。

图1 拱肋截面构造图 图2 横向哑铃截面构造图

根据设计图要求，拱肋主钢管内混凝土采用泵送顶升法施工，一次性顶升完成，管内不分仓，仅在拱顶设置一道隔板，防止顶升不同步造成混凝土翻越拱顶；缀板腔混凝土分隔仓人工灌注，每道缀板腔划分为50个隔仓，每个隔仓长度约6m，隔仓最大高差5.233m，位于上弦拱脚附近。

2 缀板加固措施

2.1 缀板腔混凝土施工方案探索

从工程概况可知，设计将单条缀板腔划分了50个隔仓进行施工，各仓设置进料口，施工过程各进料口均需设置进料管，通过进料管充满混凝土来保证各仓顶部灌满，施工措施投入多、工效低。同时由于混凝土收缩，在隔仓板位置容易发生脱粘，不利于轴向力传递，大大降低了缀板腔混凝土效能。

拱肋钢管混凝土一般采用泵送顶升工艺进行施工。缀板腔混凝土主要可分为分仓灌注和泵送顶升两种施工方法，后者与前者相比，泵管仅需与拱脚进料管接通即可，不必在拱背进行泵管安装，施工过程中不会对拱肋造成污染、施工便利，效率最高，但对缀板腔承载能力要求较高。对南浦溪特大桥缀板结构进行探索，分析泵送顶升法进行缀板腔混凝土施工的可能性，泵送顶升法不能实现的情况下，通过对缀板进行加固，减少缀板腔隔仓数量。

2.2 缀板加固措施探讨

缀板腔比较常见的加固措施是对缀板加设单排或双排对拉拉杆^[1][2]。为了不影响拱肋整体外观，拉杆一般采用穿孔塞焊工艺进行焊接，但采用对拉杆进行缀板加固存在许多弊端，极难保证质量。主要包括：（1）缀板腔一般空间狭小，人员操作困难；（2）对拉杆焊接完成后，没有一套有效的方法对塞焊质量进行检测；（3）缀板上的拉杆塞焊孔通常存在或多或少的错位，较难保证拉杆垂直于缀板；（4）采用泵送顶升工艺施工时，若混凝土出现偶然堵塞，拉杆将承受较大的侧向剪切力；（5）拉杆为离散布置，任意一根拉杆断裂，相邻的拉杆受力都将突然加大，极易发生连锁反应，导致拉杆依次被拉断。

近几年，一些设计院也意识到了拉杆加固存在的问题，逐渐采用通长的钢板与缀板进行焊接进行加固，由于钢板与缀板间为连续焊缝，相对于拉杆应力更分散，而且可以在缀板与拱肋焊接前进行焊接，施工便捷，工程实施的效果较好。为了不将缀板腔分割成左右两个，在钢板上开设连通孔（简称开孔板），让缀板腔混凝土保持整体性。

3 应力分析及缀板腔构造合理化探索

3.1 计算说明

对缀板腔的加固最好结果是达到缀板腔混凝土可以一次泵送顶升施工，加固思路分为加设开孔板和增加缀板厚度两个方向，进行哑铃形缀板腔应力分析先考虑增设开孔板，在增设开孔板不能满足泵送顶升施工要求时，再考虑增加缀板厚度。

有限元模型的建立遵从以下条件：（1）有限元模型采用平面单元，不考虑腹杆影响，选用上弦或下弦一个横向哑铃形截面进行建模，有限元软件选用Midas FEA；（2）混凝土施工过程的压力按单位压力取值计算；（3）钢材为线弹性材料，采用Von-Mises准则进行屈服判定，Q345钢材屈服强度设计值310Mpa；（4）取缀板12mm为固定值，开孔板厚度分别取6、8、10、12、14、16mm，建立有限元模型，探索开孔板增厚对缀板加固效果，确定开孔板合理厚度值；（5）取开孔板14mm为固定值，缀板厚度分别取12、14、16、18、20、22mm，建立有限元模型，探索合理的缀板厚度。

3.2模型建立

应用Midas FEA软件进行建模，设置分析类型为2D，工作平面选择XY平面，应用2D圆、2D直线、交叉线、平移等命令建立哑铃形拱肋截面几何模型，应用栅格网格法进行自动网格面划分。材料特性按数据库的GB03(S)-Q345和GB(RC)-C50设置。2D特性按板厚1mm设置。荷载按线压力1N/mm施加于钢管和缀板腔网格内壁的2D线单元上。在开孔板中心附近选择关于中心点对称的4个节点施加固定约束。按“左钢管砼→右钢管砼→缀板腔砼”灌注顺序定义施工阶段进行计算分析，建成的模型如图3所示。

图3 有限元模型示意

3.3 计算结果及分析

先对未加设开孔板的情况进行计算，显示最大Von-Mises应力在缀板与钢管连接处，为1909.9Mpa，而采用开孔板加固后，Von-Mises应力降到了454.7Mpa以下，由此可见采用开孔板对缀板进行加固很有必要。

对缀板厚度取值12mm，不同开孔板厚度的哑铃形截面应力进行有限元分析，开孔板、缀板及拱肋钢管的最大应力均出现在灌注缀板腔混凝土阶段，应力最大范围主要集中在缀板与拱肋钢管、缀板与开孔板连接位置。提取各种开孔板厚度哑铃形拱肋截面的最大Von-Mises应力进行分析，如图4所示，随着开孔板厚度的增加，开孔板应力逐渐减小，缀板及拱肋钢管应力存在减小趋势，但减小量极小，且开孔板、缀板与拱肋钢管三者应力并未出现收敛趋势。

图4 不同开孔板厚度哑铃形拱肋截面应力分布图

如图4所示，当开孔板厚度达到14mm时，开孔板最大应力略高于200Mpa，拟定开孔板厚度为14mm较合理，对不同厚度缀板的哑铃形拱肋截面应力进行有限元分析。通过分析，开孔板、缀板及拱肋钢管最大应力出现的施工阶段和部位与缀板取值12mm时一致。提取各种缀板厚度哑铃形拱肋截面的最大Von-Mises应力进行分析，随着缀板厚度的增加，开孔板、缀板及拱肋钢管应力均逐渐减小，且三者应力出现了明显的收敛趋势，如图5所示。由此可见通过增加缀板的厚度对改善缀板腔混凝土施工的应力有明显效果。

图5 不同缀板厚度哑铃形拱肋截面应力分布图

3.4 南浦溪特大桥缀板腔结构选择

南浦溪特大桥缀板腔混凝土自重压力为1.46Mpa，按每泵送顶升10m，泵送压力增加1Mpa考虑，采用一次顶升方案进行缀板腔混凝土施工，缀板承受最大压力为7.46Mpa。按此压力考虑缀板腔结构，缀板厚度将远超拱肋钢管厚度22mm。由于成桥后，缀板对大桥拱肋承载贡献较小，缀板厚度不宜超过拱肋钢管厚度，故拟定采用分仓灌注方案进行缀板腔混凝土施工。

由于南浦溪特大桥设计图已过审，考虑尽量不改变设计的缀板厚度，按灌注高度20m将缀板腔大小里程各分为3个隔仓，各隔仓承受混凝土最大压力为0.49Mpa，则开孔板厚度按8mm取值，缀板腔最大应力为205.2Mpa，能够满足受力要求。

4 结论

（1）在进行横向哑铃形拱肋截面缀板腔混凝土施工阶段，缀板应力极大，必须对缀板腔进行加固，加固措施宜采用开孔板。

（2）通过在缀板腔中间增加一道开孔板，承受单位压力的缀板腔应力得到显著改善，但通过增加开孔板厚度方式进一步改善缀板应力的效果极弱，故开孔板厚度的选择以自身应力不超标作为标准。

（3）采用相同开孔板加固的缀板腔，通过增加缀板厚度，承受单位压力的缀板腔应力得到了显著改善，且随着缀板厚度的增加，拱肋钢管、缀板及开孔板应力逐渐收敛，可推测当缀板厚度增加到某一值时，拱肋钢管、缀板和开孔板应力将基本相同。

（4）缀板在成桥后对拱肋应力贡献较小，其厚度不宜超过拱肋钢管厚度。

（5）综合考虑施工方便和缀板厚度合理两方面因素，缀板腔混凝土施工宜采用分仓灌注法，分仓高度可适当增大，分仓数量宜控制在4~6个。

（6）横向哑铃形拱肋截面缀板腔在混凝土施工阶段承受荷载远大于成桥阶段，缀板腔结构需以施工阶段作为最不利工况进行设计。

参考文献：

[1] 陈宝春,肖泽荣,韦建刚．钢管混凝土哑铃形拱肋灌注混凝土时的截面应力分析[J] ．中国公路学报,2005,18（1）:73-76．

[2] 孙九春．哑铃形钢管拱缀板加固方案研究[J] ．公路,2008,(8):9-12．

[3] 陈宝春．钢管混凝土拱桥(第三版)[M]．北京:人民交通出版社,2016．

作者简介：

刘代琪（1990—），女，工程师，2012年毕业于西南交通大学土木工程专业，工学学士，研究方向：桥梁施工技术，桥梁施工大临结构设计，桥梁建设管理。