钢管混凝土拱桥施工过程拱肋应力研究

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1、钢管混凝土拱桥施工过程拱肋应力研究　　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

2、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5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面铺装等组合成下承式系杆拱桥。系杆拱桥计算矢高

3、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36ø15.24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9ø15.24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

4、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5本桥的有限元计算模型如图2所示，其整体坐标系为：x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

5、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。

6、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，CS1→CS6施工阶段的拱脚钢管应力为：-4.47MPa→-14.7MPa→-30.2MPa→-35.5MPa→-47.4MPa→-69.8MPa；L/4钢管应力为：-3

7、.93MPa→-13MPa→-30.9MPa→-35.8MPa→-46.6MPa→-68.35MPa；拱顶钢管应力为：-3.54MPa→-12.1MPa→-31.5MPa→-36.1MPa→-46.1MPa→-67.3MPa。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69.8MPa、68.3MPa和67.3MPa，均小于钢管材料的设计强度（16Mn钢的设计强度为315MPa）。（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，CS1→C

8、S6施工阶段的拱脚钢管内混凝土应力为：0MPa→-0.467MPa→-2.38MPa→-2.59MPa→-3.73MPa→-1.76MPa；L/4钢管内混凝土应力为：0MPa→-0.369MPa→-2.57MPa→-2.70MPa→-3.71MPa→-1.71MPa；拱顶钢管内混凝土应力为：0MPa→-0.321MP