摘 要：鋼管混凝土拱橋有許多優(yōu)點，在我國發(fā)展也很迅速，獲得了許多成功的經(jīng)驗。但是，目前尚無鋼管混凝土拱橋的設(shè)計及施工規(guī)范，因此，必須注意總結(jié)經(jīng)驗，防止在工程中發(fā)生事故。本文是以某鋼管混凝土拱橋施工中鋼管拱腹板開裂事故進行結(jié)構(gòu)分析，提出一些看法，以供參考。
關(guān)鍵詞：鋼管混凝土拱橋 施工事故 結(jié)構(gòu)分析 有限元法
中圖分類號：U448.22 文獻標識碼：A 文章編號：1006-7973（2006）05-0065-02
一、引言
鋼管混凝土拱橋是我國近年來橋梁建筑發(fā)展的新技術(shù)，具有自重輕、強度大、抗變形能力強、承載能力大的優(yōu)點，并且用料省、安裝重量輕、施工簡便、工期短、養(yǎng)護工作量小，是大跨度拱橋的一種比較理想的結(jié)構(gòu)形式。特別是近十年來，在我國各地相繼建成的鋼管混凝土拱橋已超過120 座，在鋼管混凝土大跨度拱橋設(shè)計與施工方面有許多成功的經(jīng)驗。由于鋼管混凝土拱橋的理論研究遠遠滯后于工程實踐，所以，我們必須注意時刻總結(jié)經(jīng)驗，防止在施工過程中發(fā)生事故。
二、大橋概況
本橋橋位由線路走向確定，一次雙線橋，橋址處線路為直線，線間距4.2m；河道彎曲，線路與水流斜交20°。其主橋為112m 下承式尼爾森體系鋼管混凝土提籃式系桿拱橋。拱肋采用懸鏈線線型，懸鏈線系數(shù)m=1.347；矢跨比為1/5；拱肋橫截面采用啞鈴形鋼管混凝土截面，截面高度h=3.0m，等高布置，鋼管采用Q235 螺旋焊接管，上下弦管直徑D=1000mm，上下弦管由腹（綴）板焊接連接，管壁及腹板厚度分別為t1=12mm t2=16mm，腹腔內(nèi)部沿縱向長度每間隔1m 設(shè)有Φ25mm 拉桿。在橫橋向內(nèi)傾13°形成提籃式。系梁采用單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面。吊桿布置采用尼爾森體系，在吊桿平面內(nèi)，吊桿水平夾角在52.10°～68.67°之間，橫橋向水平夾角為77°，吊桿間距8m。系桿采用體外預(yù)應(yīng)力索的形式，全橋設(shè)16 束成品體外索，對稱施加于拱腳處，系桿與系梁無粘結(jié)。兩拱肋之間設(shè)五道橫撐，分別為K 型撐、直型撐和拱頂?shù)腦 型撐。
三、施工順序
施工時先將空鋼管分段吊裝成拱，再向管內(nèi)泵送混凝土，由兩岸向跨中對稱進行，上下弦管及腹腔都要灌注密實。設(shè)計泵送混凝土的順序如下：先灌注上弦管，再灌注下弦管，最后灌注腹腔。注意下道工序混凝土的灌注必須要在上道工序所灌注的混凝土達到設(shè)計強度C50 的90%后才進行，管內(nèi)泵送混凝土的壓力設(shè)計值≤2.5MPa。
四、混凝土澆注方法
鋼管拱肋混凝土澆注方法有兩種，即吊斗澆搗法和泵送頂升澆灌法。該橋我們采用泵送頂升澆灌法進行澆注。頂升澆注灌法是在鋼管拱肋拱腳位置安裝一個帶閥門的進料支管，直接與泵車的輸送管相連，由泵車將混凝土連續(xù)不斷地自上而下灌入鋼管拱肋內(nèi)，無須振搗，其優(yōu)點是省時省工，依靠混凝土自重擠壓密實，氣泡及泌水從拱頂排出，混凝土強度能保證，混凝土泵送連續(xù)，泵管不易阻塞，無須搭設(shè)腳手架，工人勞動強度低；缺點是混凝土澆注過程不能直觀呈現(xiàn)，對拱肋里混凝土的灌注情況不能很好的了解并加以控制。因此，需嚴密監(jiān)控，警惕事故的發(fā)生。
五、事故簡述
在按設(shè)計及施工工藝要求壓注鋼管拱腹板內(nèi)混凝土期間，上午8：40 先壓注下游側(cè)1#倉砼，至10：30 時，1#倉基本壓滿，但此時突然聽到拱肋內(nèi)有咔咔的響聲，緊接著在腹板與上弦管之間，有混凝土涌出，且有長度約1m 的鋼襯墊條被砼帶出。后經(jīng)觀測，發(fā)現(xiàn)上游側(cè)腹板上緣焊縫開裂，開裂焊縫下端距拱腳2.7m 左右，焊縫開裂長度約為1.8m。該倉內(nèi)外腹板全部外脹，長度14.2m，外脹矢高最大為6.8cm（在焊縫開裂范圍內(nèi)）。施工單位現(xiàn)場立即組織人員對其進行臨時加固，在該倉最頂部開灌注口后將倉內(nèi)砼灌注完畢。
六、結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)分析
事故發(fā)生后，有關(guān)部門組織了多方面的技術(shù)力量進行調(diào)查、分析和研究。我們承擔(dān)了進行結(jié)構(gòu)分析的任務(wù)，主要采用ANSYS 有限元軟件進行分析。
事故發(fā)生時，腹板內(nèi)砼壓注過程中砼陷度為20—22cm，泵機壓力表顯示壓力≤10MPa，即腹腔內(nèi)泵送混凝土的壓力≤0.2MPa（根據(jù)P1S1=P2S2），再考慮到壓力損失的影響，計算時其壓力值可取為0.18MPa。實際上，腹腔內(nèi)混凝土的泵送過程只進行了一半，其不符合平面應(yīng)變問題的要求，因此必須建立空間模型來進行有限元的彈性分析。按大橋的施工順序，此時，上、下弦管內(nèi)的混凝土已達到了要求的強度，即其與鋼管已粘結(jié)形成整體共同受力，可采用BEAM4 單元進行模擬。鋼管為Φ1000×16mm，內(nèi)填C50 微膨脹混凝土，通常視鋼管混凝土構(gòu)件為勻質(zhì)材料， 按照統(tǒng)一理論計算后， 取單元彈性模量為50112MPa；密度為3.2419e-9t/ mm3 ；面積為7.2469e5mm2；抗彎慣性矩為5.51e10mm4；對于腹板這種鋼-混凝土組合構(gòu)件，其受力特性與圓鋼管混凝土相差很大，可采用SHELL63單元進行模擬。計算結(jié)果如表一所示。
七、脹裂原因分析
①腹板內(nèi)砼壓注過程中砼陷度為20～22cm，泵機壓力表顯示壓力≤10MPa，在聽到腹板內(nèi)的“咔咔”聲響之前，沒發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象；
?、诟鶕?jù)灌注情況及腹板外脹情況分析，認為外脹的原因是腹板對拉體系失效，即在砼壓力作用下，已將φ25mm 拉桿與連接角鋼（或連接角鋼與腹板）之間焊縫破壞，從而導(dǎo)致腹板外脹；
③下游側(cè)1#倉腹板焊縫開裂后，經(jīng)過察看，發(fā)現(xiàn)鋼襯墊外觀完好，腹板鋼板原加工邊緣比較平齊，表明焊縫熔合較差。
八、事故處理方案
根據(jù)該處腹板脹裂情況，為保證主拱結(jié)構(gòu)的受力性能，我們建議采用如下方案對下游側(cè)l#倉腹板處理補強。
（1）將原開裂處（兩端各延伸300～500mm）按設(shè)計焊縫要求補焊；
?。?）沿腹板軸線方向鉆φ35mm 圓孔，孔軸線垂直于腹板面，間距600～800mm，穿φ25mm 拉桿，于腹板焊接并磨平；
?。?）考慮到外觀原因，可將四個拱腳內(nèi)側(cè)進行局部裝飾，采用δ=8mm 的Q235 裝飾鋼板于腹板塞焊，內(nèi)灌水泥沙漿修補。
實際證明，本方案的修補是成功的。該橋已建成并通過檢測，目前已運行通車。
九、結(jié)束語
下承式鋼管混凝土系桿拱橋施工由于技術(shù)相對復(fù)雜，要求在施工過程中更注意質(zhì)量的把握，特別是拱肋混凝土的澆注。因此，需經(jīng)常性的監(jiān)測，且常與設(shè)計單位聯(lián)系，出現(xiàn)問題馬上著手解決，保證施工的安全，減少不必要的損失。鋼管混凝土拱橋近年來在我國發(fā)展十分迅速，但相關(guān)的設(shè)計及施工標準卻十分缺乏。建議有關(guān)部門加大這種橋型的基礎(chǔ)研究力度，并總結(jié)已建成的鋼管混凝土拱橋施工和監(jiān)測的相關(guān)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗教訓(xùn)，加緊相關(guān)標準和規(guī)范的制定，以防止事故的發(fā)生。
參考文獻
[1] 陳寶春.鋼管混凝土拱橋設(shè)計與施工.人民交通出版社.1999.
[2] 蔡紹懷.我國鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的最新進展.土木工程學(xué)報.1999.4：P16~P26.
[3] 鐘善桐.鋼管混凝土結(jié)構(gòu).黑龍江科技出版社.1994.
[4] 陳寶春.鋼管混凝土拱橋發(fā)展綜述.橋梁建設(shè).1997.2：8~13.
[5] 秦榮.計算結(jié)構(gòu)非線性力學(xué).廣西科技出版社.1999.
