1、1钢管混凝土拱桥施工过程拱肋应力分析摘要：钢管混凝土拱桥施工架设过程中，管内混凝土灌注后强度逐渐发展，结构刚度分阶段形成，并伴随着混凝土收缩徐变的发生，从而影响钢管混凝土拱肋以及全桥的受力性能。以神龙桥为背景，通过有限元软件 MIDAS/Civil 的“施工阶段联合截面”功能来计算混凝土灌注过程及其收缩徐变情况下结构的应力变化过程。 关键词：钢管混凝土；拱桥；施工阶段联合截面 中图分类号： U448 文献标识码： A 文章编号： 钢管混凝土的结构形式相对简单，结构体系受力明确，而在施工安装阶段即混凝土浇筑前和混凝土由灌注到硬结过程，随着混凝土强度的发展，组合截面的刚度是分阶段形成的1。成桥后混
2、凝土发生收缩和徐变会对结构的内力和应力重分布、线型和结构稳定性产生较大影响2。目前尚无专用的设计规范和计算理论来考虑混凝土灌注过程和后期收缩徐变对结构受力产生的影响，采用有限元程序进行施工过程的模拟是一种比较可行的方法。 1 工程背景 神龙桥位于浙江省嘉兴市城南路上，为下承式系杆拱桥；系杆拱片由拱肋、系杆和吊杆组成，拱肋和系杆则由拱脚处的钢箱连接，再将两拱片用四道顶风撑及十三根底横梁连接，并在横梁间安装空心板浇筑桥2面铺装等组合成下承式系杆拱桥。系杆拱桥计算矢高为 9.9m，矢跨比为1/5.12，每拱肋按跨径 12 等分设置 11 根吊杆，相邻吊杆间距离为4.28m，每根吊杆由 3615.24
3、 钢绞线组成。拱肋为直径 0.6m，壁厚 12mm 钢管内灌注混凝土的圆形截面。风撑为直径 0.6m，壁厚 14mm 的空钢管。桥面宽度为：净 6.0m+1.0m（人行道） 。桥面设 1%的横坡。设计荷载为汽车-10；人群荷载为 3.5kN/m2，五级通航。每拱片系杆由两根管径为 127mm，壁厚 12mm 的钢管内穿两根 915.24 钢绞线组成，钢绞线外套外径 D=80mm 的金属波纹管，内灌纯水泥浆加以保护，波纹管与钢管无粘结。桥梁里面布置图如图 1 所示。 图 1 桥梁立面布置图（mm） 2 施工过程有限元分析 2.1 有限元模型 本桥的有限元计算模型如图 2 所示，其整体坐标系为：x
4、 轴为纵桥向，y 轴为横桥向，z 轴为竖向。应力以受拉为正，位移与整体坐标轴指向一致者为正。拱肋、纵梁、横梁和风撑采用梁单元模拟，系杆和吊杆均采用桁架单元模拟。所用钢管采用 16Mn 钢，钢管内混凝土为 C50 微膨胀混凝土，横梁、拱脚箱梁和桥面板采用 C50 混凝土。拱脚处施加简支边界条件，拱脚与系杆及端横梁均采用刚性连接。根据文献3的规定，对各个施工阶段的荷载包括自重、系杆张拉力、吊杆张拉力、混凝土收缩徐变以及二期恒载进行分别考虑。 钢管内混凝土考虑混凝土的龄期及强度的发展，混凝土达到一定强3度后拱肋由组合截面共同承担荷载。混凝土收缩徐变特性暂按文献4考虑。国内外提出了多种混凝土收缩徐变模
5、型，如：欧洲规范中提供的 EC2模型，美国混凝土协会 209 委员会提出的 ACI209（1992）模型，法国的AFREM 模型，欧洲混凝土委员会国际预应力混凝土协会提出的 MC90 模型，美国 Bazant 等提出的 B3 模型，中国规范给出考虑徐变影响的强度折减系数等。文献2和5对各模型进行了具体介绍。 施工阶段分为：CS1-安装拱肋、风撑及系杆；CS2-泵送拱肋内混凝土；CS3-待拱肋内混凝土达到 100%设计强度后张拉系杆；CS4-安装吊杆进行吊杆张拉；CS5-铺设桥面板以及其他桥面二期设施并进行桥面铺装；CS6-收缩徐变 1000d。 图 2 结构的有限元模型 2.2 应力计算结果分
6、析 （1）钢管应力 选取拱脚、L/4 和拱脚截面作为控制截面，钢管应力随施工阶段变化，CS1CS6 施工阶段的拱脚钢管应力为：-4.47MPa-14.7 MPa-30.2 MPa-35.5MPa-47.4 MPa-69.8 MPa；L/4 钢管应力为：-3.93MPa-13 MPa-30.9 MPa-35.8 MPa-46.6 MPa-68.3 MPa；拱顶钢管应力为：-3.54MPa-12.1 MPa-31.5 MPa-36.1 MPa-46.1 MPa-67.3 MPa。随着施工阶段拱肋钢管压应力逐渐增大，收缩徐变 1000d 后，拱脚、L/4 和拱脚截面的压应力分别为 69.8 MPa、
7、68.3 MPa 和 67.3 MPa，均小于钢管材料的设计强度（16Mn 钢的设计强度为 315 MPa） 。 4（2）钢管内混凝土应力 考虑 3 年收缩徐变后，各个控制截面钢管内混凝土的应力均为压应力， CS1CS6 施工阶段的拱脚钢管内混凝土应力为：0MPa-0.467 MPa-2.38 MPa-2.59MPa-3.73MPa-1.76 MPa；L/4 钢管内混凝土应力为：0MPa-0.369 MPa-2.57 MPa-2.70 MPa-3.71 MPa-1.71 MPa；拱顶钢管内混凝土应力为：0MPa-0.321 MPa-2.71 MPa-2.79 MPa-3.69 MPa-1.67
8、 MPa。随着时间的变化拱肋钢管内混凝土压应力先逐渐增大，收缩徐变 1000d 后由有所减小，但均小于规范规定的设计强度值（C50 混凝土的抗压强度设计值为 28.5 MPa） 。 3 结论 （1）钢管混凝土拱肋的特点是分阶段形成受力截面，已浇筑并初凝了的钢管内混凝土要参与承受后续的荷载作用，因此对初次参与受力的管内混凝土的强度应提出要求2。 （2）从应力的求解结果可以看出，对于拱肋控制截面，钢管的压应力逐渐增大，钢管内混凝土的压应力先增大而后随着收缩徐变的发生而逐渐减小。 （3）有关钢管混凝土结构的管内混凝土收缩徐变，目前都没有比较精确的计算模型和计算理论，还有待于进一步研究。可以采取措施降低混凝土收缩徐变对结构受力的影响，比如延长混凝土初始加载龄期、降低钢管的径厚比、改变混凝土的配合比、增加钢管与混凝土的构造连接等。 5参考文献: 1 邱顺东.桥梁工程软件 midas Civil 应用工程实例M.北京:人民交通出版社,2011 2 陈宝春.钢管混凝土拱桥.人民交通出版社,2007 3 JTG D60-2004. 公路桥涵设计通用规范,2004 4 JTG D62-2004. 公路钢筋混您土及预应力混凝土桥涵设计规范,2004 5 肖雯雯. 考虑龄期影响的钢管高性能混凝土长期性能研究 D. 哈尔滨：哈尔滨工业大学土木工程学院，2008.
