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收稿日期：2023-01-16作者简介：张宝恒（1979-），男，河北泊头人，高级工程师，研究方向设计、咨询、工程管理。6第22卷第2期石家庄铁路职业技术学院学报VOL.22 No.12023 年 6 月JOURNAL OF SHIJIAZHUANG INSTITUTE OF RAILWAYTECHNOLOGYJun.2023混凝土灌注顺序对钢管混凝土混凝土灌注顺序对钢管混凝土拱桥变形和受力影响拱桥变形和受力影响张宝恒（中铁第五勘察设计院集团有限公司北京102600）摘要：摘要：灌注混凝土时钢管混凝土拱桥施工的重要工序，其灌注顺序对钢管混凝土拱桥的变形和最终的应力分布有重要的影响。采用有限元法分析了不同灌注顺序工况下钢管混凝土拱的变形和应力分布情况。结果表明：下管、上管和拱肋分次浇筑情况下，钢管混凝土拱最大变形及最大应力为最小，如采用下管、上管和拱肋一次性浇筑，最大竖向位移增大 30.5%，最大应力增大 15%，即采用不同浇筑顺序，需要考虑不同的预拱度设置。关键词：关键词：拱桥；浇筑顺序；竖向变形；施工中图分类号中图分类号：TU755.6文献标识码文献标识码：A文章编号文章编号：1673-1816(2023)02-0006-06拱桥桥型优美，受力特性好，适用于跨河和山谷等不同的地形条件。其中钢管混凝土拱 桥为大跨径拱桥应用最多，其结构融合了钢与混凝土两种材料的力学性能，充分发挥和提高了钢材和混凝土的力学性能，能大幅度提高拱桥的跨越能力1。建造大跨径混凝土拱桥的最大困难在于主拱圈的施工成型2-3，黎栋家等4以某高速公路跨度为 508 m 中承式钢管混凝土拱桥为工程背景，通过有限元法对该桥成桥阶段各构件应力、荷载效应以及承载力进行了模拟计算分析，结果为类似桥梁结构的设计与计算提供参考。林春姣等5采用有限元法，对某拱桥施工全过程进行分析，研究外包混凝土浇筑过程拱桥的受力和变形，探讨了该浇筑方案的可行性。黄海珊6以某高速公路哑铃型截面钢管混凝土系杆拱桥为工程依托，采用数值模拟的方法对拱桥吊装施工过程的受力情况进行分析，分析了拱桥施工过程中最不利受力工况的受力及成桥后的受力状态，以指导施工设计。从以上研究可以看出，拱桥的施工数值模拟对拱桥的施工设计有重要的指导作用，在拱桥施工设计中，灌注混凝土时钢管混凝土拱桥施工的重要工序，其灌注顺序对钢管混凝土拱桥的变形和最终的应力分布有重要的影响，本文以跨度为 112 m 拱桥为例，研究灌注顺序对钢管混凝土拱桥的变形和最终的应力分布的影响，为施工提供参考。1工程概况工程概况河南某高速大桥为 32 m 梁桥+112 m 系杆拱+32 m 梁桥，起始里程为 DK328+287.38，终点里程为 DK135+484.5，采用先梁后拱的施工方法。系梁采用支架法现浇施工，钢管拱肋在系梁及支架上第 2 期张宝恒混凝土灌注顺序对钢管混凝土拱桥变形和受力影响7拼装合拢。拱肋计算跨度为 112.6 m，拱肋矢高 22.5 m，矢跨比为 f/L=1:5。两榀拱肋拱顶中心距 6.9m。拱肋横断面采用哑铃形钢管混凝土等截面，截面高 h=3.0 m，钢管外径为 1.2 m，由厚 18 mm 的钢板卷制而成，拱脚处加厚为 24 mm，每根拱肋的两钢管之间用厚 16 mm 的腹板连接。每隔一段距离，在圆形钢管内设加劲箍，在两腹板中焊接拉杆。拱管内灌注 C55 补偿收缩混凝土。2工况设计及数值模型工况设计及数值模型在钢管拱内浇筑混凝土，是钢管混凝土拱桥重要的施工工序，为了指导施工，同时考虑缩短工期，进行了三种工况的设计：工况一：先浇筑下圆管混凝土，待下管混凝土强度不低于混凝土 28 d 强度的 80%后，浇筑上圆管混凝土，待上圆管混凝土强度不低于混凝土 28 d 强度的 80%后，浇筑肋板部分混凝土。工况二：先上、下圆管混凝土同时浇筑，待上、下圆管混凝土强度不低于混凝土 28 d 强度的 80%后，浇筑肋板部分混凝土。工况三：两钢管及肋板混凝土同时浇筑。采用Midas/FEA对以上工况进行施工过程分析，确定施工过程中钢管拱的变形及内力分布规律，以合理选取施工方法。具体材料参数如下，其中混凝土材料参数见表 1，钢材材料参数见表 2.表 1混凝土特性材料弹性模量(MPa)容重(kN/m3)极限强度(MPa)轴心抗压轴心抗拉C55 混凝土360002537.03.3表 2钢材特性材料弹性模量(MPa)容重(kN/m3)容许应力(MPa)轴向弯曲剪切Q2352.0610578.514014585Q3452.110578.5200210120建立的三维有限元数值模型如图 1。图 1拱桥三维有限元模型3计算结果与分析计算结果与分析3.1 工况一工况一石家庄铁路职业技术学院学报2023 年第 2 期8先浇筑下圆管混凝土，待下管混凝土强度不低于混凝土 28 d 强度的 80%后，浇筑上圆管混凝土，待上圆管混凝土强度不低于混凝土 28 d 强度的 80%后，浇筑肋板部分混凝土。浇筑顺序如图 2 所示。(a)浇筑下管混凝土(b)浇筑上管混凝土(c)浇筑上管混凝土图 2钢管混凝土浇筑顺序钢管混凝土的拱的变形如图 3 所示。(a)浇筑下管混凝土(b)浇筑上管混凝土(c)浇筑上管混凝土图 3 钢管混凝土变形图通过计算可知，浇筑下管混凝土，最大变形发生在拱顶处，其中浇筑下圆管混凝土拱下挠 49.8mm，浇筑上圆管混凝土拱继续下挠 22.46 mm，浇筑肋板混凝土拱继续下挠 10.2 mm，故得出结论按原设计施工方法浇筑钢管混凝土，钢管总下挠位移为：49.8+22.46+10.2=82.5 mm，最大下挠位移发生在拱顶处。拱顶钢管应力分布如图 4 所示。(a)浇筑下管混凝土(b)浇筑上管混凝土(c)浇筑上管混凝土图 4钢管混凝土应力分布图通过计算可知，浇筑下管混凝土，最大拉应力发生在拱顶处，拱顶钢管最大拉应力 22.36 MPa，拱顶钢管最大拉应力继续增大 12.22 MPa，拱顶钢管最大拉应力继续增大 6.3 MPa。故得出结论按原设计施工方法浇筑钢管混凝土，拱顶钢管最大拉应力为 22.36+12.22+6.3=40.88 MPa。3.2 工况二工况二先上、下圆管混凝土同时浇筑，待上、下圆管混凝土强度不低于混凝土 28 d 强度的 80%后，浇筑肋板部分混凝土。浇筑顺序如图 5 所示。钢管混凝土的拱的变形如图 3 所示。通过计算可知，同时浇筑上、下圆管混凝土时拱下挠 85.5 mm，浇筑肋板混凝土拱继续下挠 10.1mm，钢管总下挠位移为：85.5+10.1=95.6 mm，最大下挠位移发生在拱顶处。拱顶钢管应力分布如图 7 所示。第 2 期张宝恒混凝土灌注顺序对钢管混凝土拱桥变形和受力影响9(a)同时浇筑上、下管混凝土(b)浇筑肋板混凝土图 5钢管混凝土浇筑顺序(a)同时浇筑上、下管混凝土(b)浇筑肋板混凝土图 6钢管混凝土变形图(a)同时浇筑上、下管混凝土(b)浇筑肋板混凝土图 7钢管混凝土应力分布图通过计算可知，同时浇筑上、下圆管混凝土时，最大拉应力发生在拱顶处，拱顶钢管最大拉应力 37.16 MPa，继续浇筑拱肋混凝土，拱顶钢管最大拉应力继续增大 6.3 MPa。故得出结论按工况二施工方法浇筑钢管混凝土，拱顶钢管最大拉应力为 37.16+6.3=43.46 MPa。3.3 工况三工况三两钢管及肋板混凝土同时浇筑，如图 8 所示。图 8钢管混凝土一次性浇筑钢管混凝土的拱的变形和拱顶最大应力如图 9 所示。混凝土拱位移和拱顶钢管最大应力分布如图 10 所示。从上面计算结果可以看出：同时浇筑上、下圆管及肋板混凝土，钢管拱下挠 107.7 mm，拱顶钢管最大拉应力为 46.97 MPa。石家庄铁路职业技术学院学报2023 年第 2 期103.4 各工况比较与分析各工况比较与分析通过以上计算，各施工工况下钢管混凝土拱累计最大变形和最大应力位于拱顶处，汇总于表 3。三种工况相比，三种工况下钢管混凝土拱最大变形和应力均在拱顶。工况一下钢管混凝土拱的累计最大变形和最大应力为最小，主要原因是第一次浇筑完下管后，下管钢管混凝土刚度增大，减小了浇筑上管和拱肋混凝土的施工变形。工况 2 与工况 1 相比，钢管混凝土拱最大竖向位移增加了13.1 mm，增加比例为 15.8%，应力增大了 2.61 MPa，增大比例为 6.3%。工况 3 与工况 1 相比，钢管混凝土拱最大竖向位移增加了 25.2mm，增加比例为 30.5%，应力增大了 6.12 MPa，增大比例为 15%。(a)混凝土拱顶位移(b)混凝土拱顶最大拉应力图 9钢管混凝土应力和变形图(a)同时浇筑上、下管混凝土(b)浇筑肋板混凝土图 10钢管混凝土应力分布图表 3各施工工况下钢管混凝土拱的变形和应力最大值工况最大累计位移(mm)最大累计拉应力(MPa)工况一82.540.85工况二95.643.46工况三107.746.97施工工况一钢管混凝土顶部变形最小，但是施工工期最长，施工工况三钢管混凝土的顶部变形最大，但施工工期最短。根据现场情况综合考虑，通过与设计单位协商，最终采用第 3 种施工方案，并采用增加钢管拱预拱度的方法，控制钢管拱的线型，使钢管混凝土拱成桥满足设计要求。4结论和建议结论和建议采用数值仿真分析，研究了不同灌注混凝土顺序下钢管混凝土拱桥的变形和应力，结果表明：（1）不同浇筑顺序情况下，钢管混凝土拱的最大变形位移和最大应力均发生在拱顶处。第 2 期张宝恒混凝土灌注顺序对钢管混凝土拱桥变形和受力影响11（2）不同的混凝土浇筑顺序对钢管拱的变形和应力有显著影响，分次浇筑下管、上管和肋板区混凝土情况下，钢管拱的竖向变形和应力最小，一次性浇筑下管、上管和肋板区混凝土情况下，钢管拱的竖向变形和应力最大，其中，最大竖向位移增大 30.5%，最大应力增大 15%。由此可以看出，混凝土浇筑顺序对钢管混凝土拱桥变形和应力有重要的影响。（3）采用不同浇筑顺序，需要考虑不同的预拱度设置，以满足拱桥的成桥状态。参考文献参考文献:1 马欢,徐宝林,苏龙珠黄河特大桥结构受力分析J.公路,2021,66(6):209-213.2 郑皆连,王建军,牟廷敏，等.700 m级钢管混凝土拱桥设计与建造可行性研究J.中国工程科学,2014,16（8）：33-37.3 任为东.大瑞铁路澜沧江特大桥施工关键技术研究J.铁道标准设计,2021,65(4):82-88.4 黎栋家,陈科桦,罗富元,等.大跨中承式钢管混凝土拱桥结构受力分析J.公路,2023,(1):194-199.5 林春姣,朱剑宇,蓝佳玉,等.600 m 钢管混凝土劲性骨架拱桥主拱圈混凝土浇筑方案研究J.中国铁道科学，2023,44(1):125-134.6 黄海珊,林本虎,梁高荣.哑铃型截面钢管混凝土系杆拱桥施工过程受力研究J.西部交通科技，2022(177):112-115.Study on the Effect of Concrete Pouring Sequence on Deformation andStress of Concrete-filled Steel TubeArch BridgeZhang Baoheng(China Railway Fifth Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Beijing,102600,China)Abstract:The pouring sequence of concrete is a crucial procedure in the construction of concrete-filledsteel tube arch bridges,as it significantly affects the deformation and final stress distribution of the bridge.This study employs the finite element method to analyze the deformation and stress distribution of steeltube reinforced concrete arches under different pouring sequence conditions.The results indicate that whenthe lower tube,upper tube,and arch ribs are poured separately,the maximum deformation and stress of theconcrete-filled steel tube arch are minimized.In contrast,if the lower tube,upper tube,and arch ribs arepoured simultaneously,the maximum vertical displacement increases by 30.5%,and the maximum stressincreases by 15%.Therefore,different pouring sequences require considering different pre-camber settings.Keywords:arch bridge;pouring sequence;vertical deformation;construction