硕士学位论文 大跨度钢管混凝土拱桥的稳定性分析路桥技术网
董鹂宁
摘 要：钢筋混凝土拱桥造型美觀，同时具有良好的跨越能力，在城市桥梁以及公路中有着广泛的应用。作为典型的的自架设桥梁结构，大跨度钢管混凝土拱桥通常采用缆索吊装的方式进行施工，但是大跨度钢管混凝土的质量与刚度在施工过程中一直处在不断变化的状态当中，同时施工进程当中外荷载形成的扰动对桥梁施工稳定性也有不利的影响。因此，本文基于大跨度钢筋混凝土工程，对桥梁施工进程中的稳定性进行分析，同时依据结构的屈曲模态以及特征值确定施工中的不利阶段，以期为此类拱桥施工提供有力的借鉴。
关键词：大跨度；钢筋混凝土拱桥；施工阶段；主拱肋；稳定性
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.21.094
0 前言
钢管混凝土由于具有良好的技术优势以及力学性能，在近些年来得到了广泛的应用与发展，但是由于钢管混凝土拱桥在施工过程中的质量与刚度一直处在变化当中，同时外荷载力也比较复杂，所以，钢管混凝土拱桥施工的稳定性成为了社会各界广泛关注的问题。
1 工程概况
工程采用有推力中承式的钢管混凝土拱桥构造，主桥跨度为242m，拱轴线的悬链线为1.5m，矢高比为1/4，拱肋呈桁架结构的钢管混凝土，拱肋总高度是m，总宽度为m。圆管的外直径是，除了第吊装段以及拱脚埋设段的壁厚为之外，拱肋的厚度均为。两个钢管之间的水平距离为，主桥拱圈采用双片式拱肋，通过拱上的吊杆与立柱连接拱上的桥面系，行车道板采用纵向“T”梁，横梁采用预制大型预应力混凝土梁，纵横交错形成连续的桥梁正交梁格结构。
行车道梁与拱肋相交位置设置拱上横梁，供上横梁主要采用形式为钢管桁架的材料，主、侧桁架的腹杆与弦杆均采用材质为的钢管，主桁架弦杆尺寸规格是。上弦杆为压弯构造并且承受支座处局部集中荷载，为解决局部出现的承压问题以及强化承载能力，在弦杆中填充型号为C50的微膨胀混凝土。下弦杆是拉弯构件，不需要填充混凝土。与主桁架上弦杆相连接的拱肋腹杆尺寸是，内填微膨胀混凝土。
2 有限元分析
（1）计算方法。根据《公路钢管混凝土拱桥设计规范》中的规定[1]，在桥梁施工过程当中，需要依据拱桥的施工方法与特征分析混凝土主拱肋的稳定性，主拱肋整体的弹性稳定临界系数是4.0。本文通过有限元结构分析平台对桥梁工程的屈曲模态以及屈曲特征进行分析，并结合材料的非线性以及几何非线性进行考量，分析非线性的上限是稳定分析临界荷载系数。
（2）有限元模型建立。1）施工阶段介绍。采用缆索吊装进行钢管混凝土施工的过程当中，需要结合施工现场吊缆索机械以及现场起吊的实际状况划分主拱肋的吊装节段，其主要的施工流程是：施工主墩基础—施工扣塔以及吊塔—安装临时铰—吊装拱段—合拢主拱圈—调整拱圈线形—焊接固定各拱段—扣索拆除—封铰—钢筋混凝土下弦拱圈灌注混凝土—灌注实心段混凝土以及拱圈上弦钢管—安装吊杆、横梁、以及拱上立柱—安装施工桥面板湿接缝以及桥面板—施工桥面系—钢构件防腐。
2）抗风缆布置。拱肋在吊装施工过程当中容易受到横风的干扰而导致拱肋在横向上失去平衡，为了保证拱肋的稳定，在施工进程中需要在每个吊装阶段上安装对应的风缆绳[2]，在每一处拱肋吊装的拱背的上游与下游安装直径为21.5的钢丝绳，在桥梁中设置8处抗风缆绳锚碇。
3）建立模型。根据图纸上的资料信息，通过有限元结构分析软件进行空间分析计算，桥梁总共存在1886个节点以及2102个单元，拱肋的一字横撑、上下弦杆以及K撑均采用梁单元进行模拟，风缆绳采用桁架单元，管内灌注混凝土以及临时施工荷载，以均布荷载的方式计入计算模型当中。（最好给出计算模型图）
（3）空钢管节段吊装阶段稳定性分析。拱肋在吊装施工过程中具有的抗风稳定性能对于保证结构的安全具有至关重要的影响作用，因此，对吊装拱肋过程中受到的横波影响进行抗风稳定性分析验算，在计算过程中同时还结合风缆对结构的稳定产生的作用，作用在拱肋上的横风荷载依照基本的风速进行计算。依据《公路钢管混凝土拱桥设计规范》，在施工进程当中拱肋的稳定性临界荷载系数不小于4[3].施工进程中最大悬臂阶段的抗风稳定性能较为不利，最小临界荷载系数是32，施工进程中的抗风稳定性符合施工要求。
（4）钢管混凝土灌注阶段稳定性分析。1）钢管混凝土灌注顺序。全桥钢管拱肋主要由8根弦杆构成，分别是以及，下弦杆之间采用平联板进行连接，并通过腹连接的方式连接下弦杆，采用横撑连接左右侧的主拱肋，在平联板以及弦杆之间存在的空腔内灌注混凝土，采用泵送的方式灌注弦杆混凝土，通过人工方式灌注平联板内的混凝土。采用对称匀速不间断的方式灌注钢管混凝土。根据B2、B3—、B4—、A3—、A4—下平联内混凝土—上平联内混凝土的施工顺序进行灌注。2）稳定性分析。混凝土灌注阶段主拱肋的恒载大幅增加，在这个过程当中应该对主拱肋的稳定性进行计算，依据灌注钢管混凝土的施工顺序，得出在灌注第一对空钢管管内混凝土的过程为最不利拱肋灌注的施工阶段，为此开展钢管灌注混凝土过程中的稳定性只需要在这个阶段当中进行，经过计算分析得到在灌注第一对管内混凝土的过程中拱肋失稳模态是外部失稳，拱肋最小临界荷载系数是13，符合相关要求。
3 结语
本文依托于一座大跨径的钢管混凝土拱桥，结合非线性因素对桥梁施工进程中合龙前拱肋吊装施工过程中的抗风稳定性以及合龙之后灌注钢管混凝土阶段的整体稳定性进行了分析，通过屈曲模态结果以及特征分析结果得出在施工过程当中最大悬臂阶段的抗风稳定性最不利，最小的临界荷载系数是32，大于结构失稳时临界系数4，桥梁施工进程中的抗稳定性符合要求，第一对管内混凝土在灌注时最为不利，且呈现出失稳模态面外部失稳的特征，拱肋承载的最小临界荷载系数是13，数值大于4，因此在灌注混凝土的阶段当中拱肋的稳定性符合要求。
参考文献：
[1]邵辉，姚轲.钢管混凝土系杆拱桥施工阶段稳定性分析[J].中国新技术新产品，2015（08）：136.
[2]胡大琳，陈定市，赵小由等.大跨径钢筋混凝土拱桥悬臂浇筑施工控制[J].交通运输工程学报，2016（01）：25-36.
[3]肖勇刚，邢雯芳.大跨度钢管混凝土拱桥弹性稳定性分析[J].中外公路，2014（02）：129-132.endprint
