钢管混凝土拱桥封铰混凝土浇筑时机对比研究

Comparative Study on Pouring Timing of Sealing Hinge Concrete for Concrete-Filled Steel Tube Arch Bridge

摘要

钢管混凝土拱桥封浇混凝土浇筑时机直接影响施工工期及拱肋受力状态。为明确不同浇筑时机的结构响应差异，该文以广西平岑高速北流河特大桥为工程背景，采用Midas Civil建立其有限元模型，对比分析了以下4种封铰混凝土浇筑时机：封铰钢管对焊后；拱肋合龙后、管内混凝土浇筑前；管内混凝土浇筑后、格子梁吊装前；桥面板湿接缝浇筑后、二期恒载施加前。通过施工全过程有限元仿真分析，比较了4种时机下各关键部位的内力、应力、变形及成桥阶段的变形。结果表明：4种封铰混凝土浇筑时机均是可取的；从拱脚处弦管的强度及稳定性看，时机4（桥面板湿接缝浇筑后再浇筑封铰混凝土）最有利。只要不存在工作面冲突，封铰钢管对焊后的任何施工阶段均可进行封铰混凝土浇筑，产生上述现象的原因是该桥拱肋轴线为悬链线，恒载状态以受压为主，弯矩较小。研究成果为该桥封铰混凝土浇筑时机的选择提供了依据，可为类似桥梁相关施工提供参考。

Abstract

The pouring timing of sealing hinge concrete for concrete-filled steel tube arch bridges directly affects the construction duration and the stress state of arch ribs. To clarify the structural response differences at different pouring timings, the Beiliuhe Extra-large Bridge on the Pingxi‒Cenxi Expressway in Guangxi Province was taken as the engineering background in this paper. A finite element model was established using Midas Civil, and the following four pouring timings of sealing hinge concrete were comparatively analyzed: immediately after the butt welding of sealing hinge steel pipes; after the closure of arch ribs and before the pouring of concrete inside pipes; after the pouring of concrete inside pipes and before the lifting of lattice girders; after the pouring of wet joints of the bridge deck and before the application of the second-phase dead load. Through the finite element simulation analysis of the whole construction process, the internal forces, stresses, and deformations of key parts under the four timings, as well as the deformations at the completed bridge stage, were compared. The results indicate that all four pouring timings of sealing hinge concrete are feasible; from the perspective of the strength and stability of chord pipes at the arch feet, timing 4 (pouring the sealing hinge concrete after the pouring of wet joints of the bridge deck) is the most favorable. As long as there is no conflict in working surfaces, the pouring of sealing hinge concrete can be carried out at any construction stage after the butt welding of sealing hinge steel pipes. The reason for the above phenomenon is that the arch rib axis of this bridge is a catenary curve, which is mainly subjected to compression with a small bending moment under the dead load state. The research results provide a basis for selecting the pouring timing of sealing hinge concrete for this bridge and can serve as a reference for related construction of similar bridges.

Graphical abstract

关键词

钢管混凝土拱桥 / 封铰混凝土 / 浇筑时机 / 有限元仿真分析

Key words

concrete-filled steel tube arch bridge / sealing hinge concrete / pouring timing / finite element simulation analysis

0 引言

先期架设的钢管拱肋既可以作为管内混凝土灌注时的支架及模板，又能对管内混凝土起套箍作用，从而提高其抗压强度和延性。因此，将钢管混凝土应用于以受压为主、受弯为辅的拱桥拱肋是非常合理的^［1-2］。山区大跨度钢管混凝土拱桥通常采用缆索吊装法施工^［3-8］。总体施工顺序一般为：拱座施工→钢管拱肋及横撑吊装→吊杆或拱上立柱安装→格子梁或主梁安装→桥面系施工。其中，对于钢管拱肋吊装施工，一般不是在吊装完第一节拱肋立即与拱座刚接（即封铰）并浇筑封铰混凝土，而是先将第一节拱肋的底部在拱脚处铰接，使其能绕拱脚在纵断面内自由转动，待吊装完一部分拱肋（有些桥甚至在拱肋合龙后）再进行封铰并浇筑封铰混凝土。这种先铰接再刚接的施工方法可以有效减少吊装过程中拱肋的应力集中，避免应力过大导致构件损坏；同时，这种铰接方式也为后续的拱肋线形及内力调整提供了便利，确保了施工安全和质量。

迄今为止，对于缆索吊装钢管混凝土拱桥的研究主要集中于施工期扣索索力的优化^［9-13］、施工控制^［14］、稳定性或极限承载力^［15-17］ 、拆除^［18］等方面，较少涉及施工顺序的调整对比。少量施工顺序调整研究又主要集中于管内混凝土灌注顺序^［19］及封铰时机^［20-21］两方面。对于封铰时机的研究仅限于第一节拱肋底部与拱座上预埋的钢管对焊时机，未涉及封铰混凝土浇筑时机的选择。钢管混凝土拱桥拱脚处的封铰混凝土施工需经历钢筋绑扎、立模、浇筑混凝土、混凝土待强等工序，全部完成至少需要10 d。理论上，须在这些工序全部完成后才能进行下一步施工；否则，可能存在不同工作面的相互影响，或在其他工序施工时引起封铰混凝土开裂。可见，封铰混凝土浇筑时机的选择既影响工期，又影响拱肋结构的线形与内力，是缆索吊装钢管混凝土拱桥施工中一个值得研究的问题。

本文以广西平岑高速北流河特大桥为工程背景，通过对比分析4种封铰混凝土浇筑时机对桥梁工期及结构线形和内力的影响，为该桥封铰混凝土浇筑时机的确定提供依据，同时也为类似桥梁施工提供参考。

1 工程概况

北流河特大桥为广西平南至岑溪高速公路跨越北流河的一座特大桥，全桥跨径布置为：2×30 m（简支T梁）+289.7 m（中承式钢管混凝土拱桥）+2×30 m（简支T梁）。主桥主拱采用钢管混凝土四肢全桁式结构，吊索为整束挤压钢绞线吊索，桥面主梁采用格构式钢‒混凝土组合桥面系。全桥共设两片拱肋，横向布置，计算跨径270 m，矢高67.5 m，矢跨比1/4，拱轴线采用悬链线，拱轴系数m=1.45。拱脚铰心横桥向中心间距为28.7 m。单片拱肋高3.5 m （拱顶）~7 m（拱脚），宽1.8 m，拱肋上弦、下弦均采用ϕ1 000 mm钢管，上弦壁厚20 mm，下弦壁厚20~24 mm。管内混凝土采用C60自密实补偿收缩混凝土。主拱肋通过ϕ650 mm平联管和ϕ508 mm腹杆连接主管，构成矩形截面，主拱弦管采用Q345qD钢材，单根拱肋分12个节段加工制作。桥型布置见图1。

主桥桥面组成为：2.2 m（吊杆区）+0.5 m（钢护栏）+11.5 m（行车道）+1.5 m（中央分隔带）+11.5 m（行车道）+0.5 m（钢护栏）+2.2 m（吊杆区），总宽29.9 m。主桥横断面布置见图2。

除拱座外，主桥其余部分均采用缆索吊安装，见图3。横向单侧拱肋以跨中为对称中心，平南、岑溪两岸各分为6大节，各个节段均在平南岸远离主桥的路基上制造，完成预拼后拆开，按照第1节至第6节的顺序由运输台车移至起吊点，最后由缆索吊提运拱肋节段至拼装位置。每节拱肋空中就位时，先依靠缆索吊具的走行进行粗定位，待接头即将完成对接时，再使用手拉葫芦进行辅助精确对位。然后安装扣索，最后完成吊扣转换。待上下游该编号的拱肋节段均安装完毕，及时安装对应节段间横撑，采用工装精调到施工监控目标线形后进行焊接。按上述方法，从拱脚对称向跨中逐节段安装拱肋及横撑，直至合龙完成，然后分级卸载并解除扣索。

设计方及施工监控方建议在第4节拱肋及其肋间横撑安装到位后进行封铰，并立即浇筑封铰混凝土。拱脚接头及拱脚预埋段构造见图4。封铰是指将拱肋上下弦管与拱座上预埋的弦管通过图4中0.4 m长的嵌补段对焊，使拱肋由铰接转换为刚接，完成第一次体系转换。封铰混凝土是指图4中拱座内虚线所围凹槽内的混凝土。

如果封铰混凝土在封铰后立即浇筑，并因此暂停剩余拱肋的吊装，则对工期影响较大，经济性较差。按照每增加一天工期需增加投入30万元计算，共计增加投入300万元。如果封铰混凝土施工期间继续进行剩余拱肋的吊装，则担心拱脚区域上、下弦管内力变化较大，影响其施工期及成桥运营状态的安全性，且担心拱脚在此期间的变形使封铰混凝土开裂。如果封铰钢管对焊后暂时不进行封铰混凝土施工，待拱肋合龙后或管内混凝土浇筑后甚至桥面板湿接缝浇筑后再进行该工作，则担心拱脚区域上、下弦管的受力不满足安全要求。因此，封铰混凝土在封铰钢管对焊后是否必须立即浇筑、立即浇筑期间能否继续进行剩余拱肋的吊装以及能否在后期择机浇筑，这些都是值得研究的问题。为此，本文采用Midas Civil建立了包括缆索吊系统在内的北流河特大桥的最大化有限元模型（图5），对4种不同时机（时机1：封铰钢管对焊后；时机2：拱肋合龙后、浇筑管内混凝土前；时机3：管内混凝土浇筑后、格子梁吊装前；时机4：桥面板湿接缝浇筑后、二期恒载施加前）完成封铰混凝土浇筑的全过程进行有限元仿真分析，对比了这4种浇筑时机方案下封铰混凝土的关键部位在整个施工过程的内力、应力、变形及成桥阶段的变形，为本桥封铰混凝土浇筑时机的选择提供依据，并为类似桥梁相关工作提供参考。

2 不同封铰混凝土浇筑时机桥梁关键部位内力及变形分析

2.1 时机1：封铰钢管对焊后立即浇封铰混凝土

封铰钢管对焊后立即浇筑封铰混凝土，在Midas Civil有限元模拟时其实就是通过将拱脚铰接点（图6中的2301^#节点）此前的铰接约束钝化，将铰接点及上下弦管下端节点（1301^#及3301^#）固结激活。由于本桥拱肋在纵桥向关于跨中对称，横向关于纵向中心线对称，所以仅以平南岸上游（右幅）横向外侧拱肋桁片来示意这两个施工步对应的约束状态，如图6所示。

为与其他封铰混凝土浇筑时机的拱肋内力及位移进行对比，本文给出本方案下后续施工过程中拱脚上弦管（1302^#节点与1303^#节点之间的582^#单元）、下弦管（3302^#节点与3303^#节点之间的588^#单元）及斜腹杆（2301^#节点与1303^#节点之间的732^#单元及2301^#节点与3303^#节点之间的732^#单元）的最大轴力、最大应力及在封铰混凝土浇筑前拱脚部分节点的最大纵向及竖向位移，见表1。最终成桥状态下全桥最大位移见图7。

2.2 时机2：灌注管内混凝土前浇筑封铰混凝土

在吊装完第4节拱肋并安装对应节段的横撑后，若施工中仅对焊封铰钢管而不立即浇筑封铰混凝土，则在拱肋合龙后至浇筑管内混凝土前、再浇筑封铰混凝土的这个过程中，拱脚两斜腹杆交点（2301^#节点）仍为铰接约束，而上下弦管拱脚端的约束仍由铰接转为固结，与正常施工顺序（封铰钢管对焊后立即浇筑封铰混凝土）相比，此时上下弦管的固结点由后浇混凝土外表面内移到凹槽底部，相当于上下弦管向拱脚方向顺延了0.9 m（即图4中的0.4 m+0.5 m），如图8所示。待封铰混凝土浇筑完成后，再将上下弦管的固结点调整到拱脚混凝土外表面与上下弦管的交点，模拟方式与图6（b）相同。

时机2对应的整个后续施工过程中，拱脚上下弦管及斜腹杆的最大轴力、最大应力及封铰混凝土浇筑前拱脚部分节点的最大纵向及竖向位移，见表2；最终成桥状态全桥最大位移与时机1基本一致。此外，该阶段还面临封铰与管内混凝土浇筑的工作面冲突问题。

2.3 时机3：灌注管内混凝土后吊梁前浇封铰混凝土

时机3对应的整个后续施工过程中，拱脚上下弦管及斜腹杆的最大轴力、最大应力及封铰混凝土浇筑前拱脚部分节点的最大纵向及竖向位移见表3，最终成桥状态全桥最大位移与时机1基本一致。

2.4 时机4：二期恒载施加前浇封铰混凝土

时机4对应的整个后续施工过程中，拱脚上下弦管及斜腹杆的最大轴力、最大应力及封铰混凝土浇筑前拱脚部分节点的最大纵向及竖向位移见表4，最终成桥状态全桥最大位移比时机1约大1 mm。

2.5 4种时机浇封铰混凝土结果对比分析

以时机1为基准，时机2~4浇筑封铰混凝土对应的后续施工过程中拱脚上下弦管及斜腹杆的最大轴力、最大应力及拱脚上下弦管在封铰混凝土浇筑前的最大纵向及竖向位移与时机1的相关结果之差见表5。

由表5可知：从封铰钢管对焊至最终成桥过程中，无论采用时机2~时机4浇筑封铰混凝土中的哪一种，整个施工过程中拱脚弦管、腹杆的最大轴力之差均不超过240 kN，且浇筑越晚，最大轴压力越小；最大应力之差均不超过10 MPa，且越晚浇筑，最大压应力越小；拱脚节点最大位移之差均不超过0.3 mm，差值均非常小。经验算，弦管及腹杆最大轴力值均出现在成桥状态（非施工过程中），此时构件的强度及稳定性均满足设计要求，成桥拱脚节点最大位移为0.3 mm，不会导致封铰混凝土开裂。另外，4种浇筑封铰混凝土时机对应的最终成桥状态拱肋最大、最小位移基本一致。综上可知，4种封铰混凝土浇筑时机均可行。从拱脚处弦管的最大轴压力及最大压应力来看，二期恒载施加前再浇筑封铰混凝土这种方案最有利。此外，全过程仿真计算结果表明：各相邻施工步之间，拱脚处节点位移增量较小。说明只要不存在工作面上的冲突，在封铰钢管对焊后的任何施工阶段，均可进行封铰混凝土的浇筑工作，且不会引起其开裂。经定性分析，本桥在不同时机浇筑封铰混凝土时，拱脚处杆件内力及应力最大值均接近，且位移最大值均较小。分析原因为：本桥拱肋轴线设计为悬链线形式，在沿轴线均布的荷载作用下，拱肋内力以轴压力为主（弯矩为辅），内力及应力最大值由最终恒载决定，因而位移最大值较小，且因拱脚受到约束不出现在拱脚处。

3 结论

本文以广西平岑高速北流河特大桥主桥为工程背景，采用大型商用软件Midas Civil建立了该桥的最大化有限元模型（包括缆索吊系统）。针对4种不同浇筑时机（分别为封铰钢管对焊后、拱肋合龙后灌注管内混凝土前、管内混凝土灌注后格子梁吊装前、二期恒载施加前）封铰混凝土工况，开展了施工全过程有限元仿真分析。通过对比4种封铰混凝土浇筑时机，整个施工过程中关键部位的内力、应力、变形及成桥阶段的变形，为本桥封铰混凝土浇筑时机的选择提供了依据，也为类似桥梁的施工提供了参考。主要结论如下：

（1） 4种浇筑时机下，施工全过程中桥梁关键部位的内力、应力、变形及成桥阶段的变形差值均非常小，弦管及腹杆强度与稳定性均满足设计要求，拱脚节点最大位移不会引起封铰混凝土的开裂，最终成桥时拱肋最大位移基本一致。因此，4种封铰混凝土浇筑时机均可行。从拱脚处弦管的最大轴压力及最大压应力来看，二期恒载施加前再浇筑封铰混凝土方案最为有利。

（2） 各相邻施工步之间，拱脚处节点位移增量均较小。这表明，只要不存在工作面冲突，在封铰钢管对焊后的任何施工阶段均可浇筑封铰混凝土，且不会导致其开裂。

（3） 本桥在不同时机浇筑封铰混凝土时，拱脚处杆件内力及应力最大值均接近，且位移最大值均较小。其原因在于：本桥拱肋轴线为悬链线，在沿轴线均布的荷载作用下，拱肋内力以轴压力为主（弯矩为辅），因此，内力及应力最大值由最终恒载决定；位移最大值较小，且因拱脚受到约束不出现在拱脚处。对于拱轴线为悬链线的钢管混凝土拱桥，可能具有类似的特性。

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(52478129)

湖南省教育厅重点项目(23A0248)