混凝土灌注顺序对钢管混凝土拱桥变形和受力影响.pdf
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1、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
2、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
3、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,
4、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
5、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
6、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360
7、002537.03.3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
8、)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
9、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
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