钢管混凝土拱桥施工稳定性分析

钢管混凝土拱桥施工稳定性分析收稿日期:2008209223作者简介:张　华(19742),女,工程师,中原油田建设集团公司,河南濮阳　457001张　华摘　要:结合工程实例,针对大跨度劲性骨架混凝土拱桥的特点,采用大型通用有限元程序ANSYS 对采用劲性骨架施工的大跨径钢管混凝土拱桥进行了施工稳定性分析,实践证明该桥的施工稳定性符合规范要求。

关键词:钢管混凝土拱桥,施工,劲性骨架,稳定性中图分类号:U448.22文献标识码:A 钢管混凝土是在薄壁钢管内填充混凝土而形成的一种复合材料,它一方面借助内填混凝土增强钢管壁的稳定性,同时又利用钢管对核心混凝土的套箍作用,使核心混凝土处于三向受压状态,从而使其具有更高的抗压强度和抗变形能力。

由于钢管混凝土拱的施工可以分两个阶段进行,即空钢管组装成拱并向管内浇灌混凝土。

因此,安装工程面对的是空钢管拱肋,自重小得多,无论是分段用缆索吊装法还是拱肋用转体法施工,都远远优于钢筋混凝土拱桥,既可增大桥跨,又可降低工程造价。

1990年四川旺苍东河大桥是我国第一座钢管混凝土拱桥,在随后的20年内先后在全国建造的钢管混凝土拱桥总数超过了200座,钢管混凝土拱桥在我国的发展非常迅速,而且正处在继续不断的发展中。

1　钢管混凝土特点1)钢管混凝土拱桥其实是套箍混凝土,所以比一般混凝土强度高、塑性好、质量轻、耐疲劳;钢管混凝土结构的耐火性能由于内填了混凝土,在高温情况下,与空钢管相比它的软化温度将极大的提高,而在急骤降温(消防冲水)时又不会像钢筋混凝土结构那样爆裂,因此,其防火性能应比钢结构和钢筋混凝土结构更加优越;钢管混凝土结构还具有较好的耐冲击力和动力性能。

2)拱桥以受压为主,面内面外均存在着稳定问题。

圆钢管截面各向抗弯惯矩大,相对的长细比减小,有利于结构稳定性的提高。

同时圆钢管截面相对于箱形截面抵抗局部屈曲的性能要好。

对于宽跨比较小且处于风力较大的沿海或山谷地区的拱桥,圆形拱肋承受的横向风力较小,有利于提高拱的横向稳定性。

3)钢管本身就是耐侧压的模板,故浇筑混凝土时可省去支模、拆模等工序;钢管本身又是劲性承重骨架,在施工阶段可起劲性钢骨架作用,在使用阶段又是主要的承重结构,因此可以节省脚手架,缩短工期,减少施工用地,降低工程造价;钢管混凝土具有刚度大、承载能力大、质量轻等优点,这些优点和桥梁转体施工工艺相结合,可以解决转体质量大与转体结构的强度、刚度的矛盾。

4)在受压构件中采用钢管混凝土,可大幅度节省材料。

理论分析和工程实际都表明,钢管混凝土与钢结构相比,在保持结构自重力相近和承载能力相同的条件下,可节约钢材约50%,混凝土和水泥用量以及构件自重也相应减少1/2。

此外,钢管混凝土拱桥还有造型美观等优点,但是由于钢结构外露,钢管混凝土结构耐腐蚀性能比钢筋混凝土弱,与钢结构一样需要采用有效的防腐措施。

2　拱桥稳定理论桥梁结构的失稳现象表现为结构的整体失稳或局部失稳。

局部失稳是指部分子结构的失稳或个别构件的失稳,局部失稳常常导致整个结构体系的失稳。

结构失稳是指结构在外力增加到某一量值时,稳定性平衡状态开始丧失,稍有扰动,结构变形迅速增大,使结构失去正常工作能力的现象。

拱桥的失稳分为面内屈曲和面外屈曲。

拱的面内屈曲有两种不同形式,第一种形式是在屈曲临界荷载前后,拱的挠曲线发生急剧变化,可看作这是具有分支点问题的具体形式,桥梁结构中使用的拱,在体系和构造上多是对称的。

当荷载对称地满布于桥上时,如果拱轴线和压力线是吻合的,则在失稳前的平衡状态只有压缩而没有弯曲变形;当荷载逐渐增加至临界值时,平衡就出现有弯曲变形的分支,拱开始发生屈曲。

第二种屈曲形式是在非对称荷载作用下,拱在发生竖直变位的同时也产生了水平变位。

随着荷载的增加,两个方向的变位在变形形式没有急骤变化的情况下继续增加。

当荷载达到了极大值,即临界荷载之后,变位将迅速增加,这类失稳称之为极值点失稳,也称第二类失稳。

求解这类稳定问题的极限荷载,需要采用非线性分析方法。

如果拱的侧向刚度相对较小,当荷载达到一定临界值,拱也可能先离开其受载的平面向空间弯扭形式的平衡状态过渡,发生面外屈曲。

3　采用劲性骨架施工的钢管混凝土拱桥稳定性分析某大桥为单孔上承式钢管混凝土劲性骨架(SRC 结构)箱形拱桥。

桥面宽24.5m ,主拱圈为钢管混凝土劲性骨架箱形拱,净跨径为330m ,净矢高为60m ,矢跨比为1/5.5。

拱轴线形为悬链线,拱轴系数为1.588。

本桥主拱圈施工采用劲性骨架现浇,首先以缆索吊装法形成钢骨架。

劲性骨架采用工厂加工、现场拼装,组成块件后运送至桥下吊装。

本文采用大型通用有限元程序ANSYS 对钢管混凝土合龙阶段施工稳定性进行了分析研究。

而对钢管混凝土采用统一理论的思想,即把钢管混凝土看作一种特殊的复合材料,对这种材料采用其特有的材料特性值。

而边界条件假设为两脚拱,两端拱脚处为铰接,可转动。

而对浇筑管内混凝土则假设为分六段浇筑,对此浇筑方法进行分析(见图1)。

分析表明,浇筑管内混凝土阶段其一阶稳定系数为9.4,为面内对称失稳,二阶稳定系数为10,为面内对称失稳。

施工阶段稳定象山隧道富水围岩段施工方法收稿日期:2008210213作者简介:海　军(19792),男,工程师,中铁隧道集团一处有限公司五分公司,重庆　400000海　军摘　要:结合象山隧道的涌水及水文地质情况,对帷幕注浆方案进行了论述,就其注浆效果作了评价,同时提出了特殊情况的应急措施,通过涌水处理方法的实施,解决了隧道围岩涌水问题,从而确保工程质量。

关键词:隧道,涌水,帷幕注浆方案,应急措施中图分类号:U455文献标识码:A1　涌水及水文地质情况在隧道右线098开挖时,掌子面中上部出现较大涌水。

涌水从一裂隙中突出,水压较高,静压1.5MPa ,涌水量约有200m/h 。

掌子面围岩整体性较好,为硅质灰岩,微风化,涌水初呈黄红色,含有卵石,直径100mm ～10mm 不等,浑浊夹泥砂,后变清,涌水经两个月后无减少趋势。

2　帷幕注浆方案2.1　注浆实施方案径向加固注浆:根据现场情况和超前地质预报资料,对掌子面后方092～068范围内围岩破碎、漏水段施作径向注浆,用以加固围岩和堵水。

径向注浆垂直于开挖轮廓线环向布设<42注浆钻孔。

注浆钻孔呈梅花形布置,环向开孔间距为1.5m 左右,纵向终孔间距为2.3m 。

环向终孔间距为2.5m 。

2.2　全断面超前预注浆在径向加固注浆完成后,再施作超前预注浆,封堵地下水于隧道开挖轮廓线以外5m 。

2.2.1　注浆设计全断面超前预注浆(B =5m )采用川桑豹快速钻孔设备,钻孔直径为114mm ,循环注浆段长度设计30m (不计止浆墙厚度),每一个循环注浆完成后开挖20m ,余留10m 作为下一循环注浆施工的止浆岩墙。

每开挖2m 采取超前小导管进行补充注浆,以提高注浆施工质量,确保开挖施工安全。

正洞全断面超前注浆纵剖面图如图1所示。

2.2.2　注浆材料涌水主要为溶槽、断层、破碎地段,主要采用普通水泥单液浆、普通水泥—水玻璃双液浆进行注浆堵水施工,必要时辅以HSC 等特殊浆材。

注浆材料主要根据浆液的可行性、可注性、环保、经济性及工艺实施难易度综合分析来选取。

根据以往工程注浆堵水经验结合室内试验,注浆以普通水泥、普通水泥—水玻璃、铝酸盐特种灌浆水泥浆为主要材料。

对于施工中遇到的复杂情况要根据注浆堵安全系数均大于4,符合规范要求,故可认为该桥的该阶段施工稳定性是可靠的。

4　结语劲性骨架既是成桥后承载的组成部分,又是施工过程中拱桥成型的支架,随着其跨径的增大,刚度越来越柔,因此,施工稳定性问题成为制约其发展的关键因素之一。

本文在国内外研究成果的基础上,依托实际工程,针对大跨度劲性骨架混凝土拱桥稳定性,通过有限元计算方法进行分析,得出的结论能给相近似的同类桥型设计与施工提供理论指导。

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