官盛渠江大桥地处四川省广安市前锋区, 为特大跨径中承式钢管混凝土劲性骨架拱桥, 主跨320m, 主孔净跨300m, 净矢跨比为1/4, 拱轴系数为1.5。横撑横梁从拱脚往拱顶编号为1号横撑、肋间横梁、2号横撑和3号横撑, 长度均为27.34m。1 号横撑径向高5.58m、宽2.50m, 靠近拱肋处往中间2m截面顶底板和左右腹板厚度为渐变段, 顶底板和左右腹板厚度由0.7m线性变为0.4m, 中间为标准段, 顶底板和左右腹板厚度均为0.4m。肋间横梁径向高3.00m、宽3.50m, 靠近拱肋处往中间2m截面顶底板和左右腹板厚度为渐变段, 顶底板和左右腹板厚度由0.8m线性变为0.5m, 中间为标准段, 顶底板和左右腹板厚度均为0.5m。2号横撑径向高3.90m、宽2.50m;3号横撑径向高3.34m、宽2.50m, 2, 3号横撑靠近拱肋处往中间2m截面顶底板和左右腹板厚度为渐变段, 顶底板和左右腹板厚度由0.7m线性变为0.4m, 中间均为标准段, 顶底板和左右腹板厚度均为0.4m。

横撑横梁骨架采用型钢组合的空间桁架结构, 上下弦杆均采用4拼角钢, 其中, 1号横撑为4└100×12, 肋间横梁和2, 3号横撑为4└80×10。上下平联、左右腹杆均采用双拼角钢, 其中1号横撑竖腹杆为2└100×10, 斜腹杆和上下平联为2└80×10, 肋间横梁斜、竖腹杆为2└100×10, 上下平联为2└80×10, 2, 3号横撑斜、竖腹杆、上下平联均为2└80×10。节间间距为1.99m。

劲性骨架上下游分别设置6根钢管弦杆, 上、中、下分别有2根钢管弦杆, 且弦杆通过空钢管连接, 组成空间桁架结构。劲性骨架钢管采用缆索吊装斜拉扣挂法^[1,2]安装, 分节段进行对称起吊;上、中、下弦杆均采用C100混凝土进行浇筑^[3]。横撑、肋间横梁上、下弦杆和腹杆通过型钢组成桁架结构。拱肋外包混凝土采用C50混凝土进行分环、分段、对称浇筑。

主桥立面布置如图1所示。由于肋间横梁、2, 3号横撑平、立面类似, 故此处只列出1, 2号横撑骨架平、立面 (见图2) , 1号横撑截面、肋间横梁截面、2, 3号横撑截面分别如图3～5所示。其中2号横撑h为390cm, 3号横撑h为334cm。

劲性骨架拱桥的横撑骨架作为施工支架, 主要满足施工过程受力需要。因此在既定劲性骨架设计一次完成浇筑、不增加骨架材料用量情况下, 对施工方案进行优化, 不但施工方便、减少临时工程数量, 并且保证结构安全, 具有经济性等重要意义。

本桥由于1号横撑与平面发线夹角为44.5°, 肋间横梁与平面发线夹角为0°, 2号横撑与平面发线夹角为23.8°, 3号横撑与平面发线夹角为6.6°, 并且混凝土湿重和临时荷载较大, 临时荷载占总荷载的25%, 所以施工难度大、不平衡受力严重。

由于现场施工条件的限制, 安装横撑横梁模板时, 只考虑横撑横梁下弦杆参与受力。为更准确地算出2根下弦杆的受力比例, 当采用一次性浇筑混凝土时, 采用如图6所示的方法计算, A点所受支座反力表示较低弦杆所承担的荷载, B点所受支座反力表示较高弦杆所承担的荷载。该方法计算所得1号横撑下部的较高处主弦杆承担18.0%下环混凝土与模板的总重, 较低处主弦杆承担82.0%下环混凝土与模板的总重;肋间横梁下部2根主弦杆分别承担50%下环混凝土与模板的总重;2号横撑下部较高处主弦杆承担25.0%下环混凝土与模板的总重, 较低处主弦杆承担75.0%下环混凝土与模板的总重;3号横撑下部较高处主弦杆承担45.1%下环混凝土与模板的总重, 较低处主弦杆承担54.9%下环混凝土与模板的总重。

本桥的横撑横梁弦杆材料为Q345钢材, 腹杆材料为Q235钢材。横撑横梁混凝土采用一次性浇筑时, 用Midas/Civil 2015计算横撑横梁最大应力严重超标, 因此优化浇筑方案, 对于保证施工安全具有重要意义。由于1号横撑靠近拱脚, 且应力超标严重, 为降低施工风险, 采用满堂支架一次性浇筑;其他横撑横梁先考虑部分杆件加强, 在此基础上拟采取3个方案进行横撑横梁外包混凝土浇筑: (1) 方案1横撑横梁外包混凝土分2次浇筑, 浇筑按上环∶下环质量比为5∶5的计算方法进行分层浇筑; (2) 方案2横撑横梁外包混凝土分2次浇筑, 浇筑按上环∶下环质量比为4∶6的计算方法进行分层浇筑; (3) 方案3横撑横梁外包混凝土一次浇筑。

横撑横梁分第1环时, 混凝土顶面水平。分2环的第1环混凝土及一次浇筑混凝土时考虑底部的2根主弦杆承担全部混凝土湿重和临时荷载, 第1环混凝土形成刚度后浇筑第2环混凝土, 第2环混凝土湿重由第1环混凝土承担, 如图6b所示。

计算得出方案1在浇筑下环混凝土时, 肋间横梁下部的2根主弦杆分别承担50%下环混凝土与模板总重;2号横撑下部较高处主弦杆承担28.0%下环混凝土与模板的总重, 较低处主弦杆承担72.0%下环混凝土与模板的总重;3号横撑下部较高处主弦杆承担44.5%下环混凝土与模板的总重, 较低处主弦杆承担55.5%下环混凝土与模板的总重。方案2在浇筑下环混凝土时, 肋间横梁下部2根主弦杆分别承担50%下环混凝土与模板的总重;2号横撑下部较高处主弦杆承担27.0%下环混凝土与模板的总重, 较低处主弦杆承担73.0%下环混凝土与模板的总重;3号横撑下部较高处主弦杆承担44.0%下环混凝土与模板的总重, 较低处主弦杆承担56.0%下环混凝土与模板的总重。

采用Midas/Civil 2015对官盛渠江大桥进行模拟, 为更加合理模拟横撑横梁外包混凝土施工过程, 以骨架一次落架完成为计算起点, 即忽略分段吊装施工过程, 主拱圈骨架考虑一次成型, 然后进行钢管内浇筑混凝土、骨架外包混凝土等。采用统一理论^[4,5,6,7]模拟钢管混凝土结构, 混凝土浇筑施工过程中直接把液态混凝土视作外加荷载作用在钢管上^[8,9,10]。

建立骨架外包混凝土施工阶段模型, 本模型共5 425个节点, 13 962个单元, 其中桁架单元36个, 板单元1 968个, 梁单元11 958个。用桁架单元模拟吊杆, 吊杆与骨架采用弹性连接中的刚性连接;用板单元模拟桥面钢板和桥面混凝土;梁单元模拟格子梁, 桥面钢板与格子梁采用共节点方式模拟^[11];用梁单元模拟骨架和外包混凝土, 外包混凝土和骨架采用弹性连接中的一般连接;拱肋上、下环混凝土及横撑横梁的上、下环混凝土采用共节点不共单元的方式进行模拟。外包混凝土浇筑过程采用Midas/Civil 2015的激活、钝化功能^[12], 大致思路为:在浇筑第1环混凝土时, 将第1环外包混凝土湿重按照节点荷载施加在骨架下弦杆上。等第1环混凝土形成刚度后, 钝化节点荷载, 激活第1环外包混凝土单元, 第2环外包混凝土的湿重按照均布荷载施加在第1环外包混凝土单元上。

模型骨架考虑一次落架, 模拟浇筑混凝土到最终成桥过程。由于只研究横撑横梁外包混凝土的浇筑方案, 所以只列出横撑横梁外包混凝土施工过程。以方案1为例:2号混凝土下环混凝土湿重→2号混凝土下环混凝土形成刚度→2号混凝土上环混凝土湿重→2号混凝土上环混凝土形成刚度→3号混凝土下环混凝土湿重→3号混凝土下环混凝土形成刚度→3号混凝土上环混凝土湿重→3号混凝土上环混凝土形成刚度→1号混凝土形成刚度 (1号横撑考虑搭设满堂支架浇筑混凝土) →肋间横梁下环混凝土湿重→肋间横梁下环混凝土形成刚度→肋间横梁上环混凝土湿重→肋间横梁上环混凝土形成刚度。

对横撑横梁桁架进行应力分析时, 把第1, 2次浇筑混凝土湿重作为最不利工况, 得到第1次浇筑混凝土时横撑横梁骨架最大应力如表1所示, 第2次浇筑混凝土时横撑横梁骨架最大应力如表2所示。

从表1可以看出, 第1次浇筑混凝土时骨架最大应力均出现在2号横撑, 原因是2号横撑第1次浇筑的方量大, 且2号横撑倾角最大, 与平面发线夹角为23.8°, 受偏载作用影响大。方案2, 3在第1次浇筑混凝土时横撑横梁骨架应力比方案1第1次浇筑混凝土应力大, 方案2中Q235钢材最大应力比方案1大13.2%, Q345钢材最大应力比方案1大13.0%。方案3中Q235钢材最大应力比方案1大44.6%, 比方案2大27.8%;Q345钢材最大应力比方案1大55.3%;比方案2大37.5%。

在浇筑外包混凝土过程中, 横撑横梁骨架各杆件应力:

式中:A为型钢杆件截面面积;N为型钢杆件轴力;I为型钢杆件截面惯性矩;M为y轴弯矩。其中以型钢轴向为x轴, 型钢腹板厚度方向为y轴, 高度方向为z轴。

方案2, 3在第1次浇筑混凝土时混凝土质量比方案1第1次浇筑时, 造成方案2, 3在第1次浇筑混凝土时弯矩M和轴力N组合应力变大。第1次浇筑混凝土湿重越大骨架应力越大。

从表2中可以看出, 第2次浇筑混凝土时方案1中横撑横梁骨架应力均比第1次浇筑混凝土时骨架应力大, 比方案3一次浇筑完混凝土时应力小。原因是方案1混凝土湿重增加, 下环形成刚度后参与部分受力。在第2次浇筑混凝土时方案2骨架应力对比第1次, 2号横撑应力均增大, 3号横撑和肋间横梁应力有不同程度增减。原因是方案2的2号横撑倾角较大, 偏载严重;下环形成刚度后参与部分受力, 且由于第1次浇筑近60%的混凝土, 所以下环形成的刚度较大, 可承担部分自身质量和上环混凝土湿重。倾斜的横撑横梁桁架对结构受力不利, 建议增加结构受力富余度。

对横撑横梁桁架进行变形分析时, 把第1, 2次浇筑混凝土湿重作为最不利工况, 用Origin2015做出第1次浇筑混凝土且未形成刚度时的横撑横梁骨架最大变形 (跨中) , 如图7所示;做出第2次浇筑混凝土且未形成刚度时的横撑横梁骨架最大变形 (跨中) , 包括第1次浇筑混凝土且未形成刚度、第1次浇筑混凝土形成刚度和第2次浇筑混凝土且未形成刚度骨架产生的总变形。

由图7可知, 第1次浇筑混凝土时, 方案1产生的变形最小, 方案3产生的变形最大。方案1, 2, 3最大变形分别为-0.025, -0.027, -0.036m, 都在2号横撑。方案2最大变形比方案1多8.0%, 方案3最大变形比方案2多33.3%, 方案3最大变形比方案1多44.0%。第2次浇筑混凝土时, 方案1骨架跨中发生变形比方案2小, 两者产生的变形量相当, 差值在4.0%以内。方案1, 2在第2次浇筑混凝土时骨架总变形 (跨中) 比第1次浇筑混凝土时骨架总变形 (跨中) 大, 方案1, 2在第2次浇筑混凝土时骨架总变形 (跨中) 均比方案3一次性浇筑混凝土时骨架总变形 (跨中) 小。

可以得出, 第1次浇筑混凝土时2号横撑产生的骨架总变形 (跨中) 最大, 原因是2号横撑的截面高度大, 混凝土湿重也较大, 且2号横撑倾角最大, 产生的骨架总变形 (跨中) 也最大。由于第1次浇筑混凝土时方案1混凝土方量较小, 所以产生的骨架总变形 (跨中) 较小;第1次浇筑混凝土时方案2方量相对较大, 因此方案2下环形成的刚度相对较大, 第2次浇筑混凝土时骨架总变形 (跨中) 相对第1次 (跨中) 增加的较小, 减小了第2次浇筑混凝土时骨架总变形 (跨中) 方案1, 2的差值。因此, 浇筑横撑横梁混凝土时, 要综合考虑混凝土湿重对骨架变形的影响, 适当分环有利于改善跨中变形。

对横撑横梁外包混凝土进行应力分析时, 为防止第2次浇筑的混凝土使第1次浇筑的混凝土开裂, 因此把第2次浇筑混凝土湿重作为最不利工况, 此时, 第1次浇筑的混凝土形成刚度, 计算得第1次浇筑的混凝土拉应力, 如图8所示。

由图8可知, 肋间横梁产生的混凝土最大拉应力最大, 方案1, 2分别为1.37, 0.72MPa;3号横撑产生的最大拉应力最小, 方案1, 2分别为1.14, 0.59MPa。原因是肋间横梁第1次浇筑混凝土的方量最小, 2号横撑第1次浇筑混凝土的方量最大, 但2号横撑倾角也最大, 故2号横撑混凝土最大拉应力比3号横撑大。方案1产生的混凝土最大拉应力均比方案2大, 几乎是方案2的2倍, 原因是方案1第2次浇筑混凝土湿重大, 且第1次浇筑的混凝土方量比方案2小, 因此第1次浇筑混凝土形成刚度比方案2小。由此可得, 下环浇筑混凝土越多, 形成刚度越大, 在上环混凝土湿重的作用下, 有利于防止下环混凝土开裂。

实际工程综合考虑横撑、肋间横梁骨架应力、骨架变形及混凝土应力, 先采用焊接钢板对全部横撑、肋间横梁桁架骨架上下弦杆和部分应力大的腹杆进行加固, 然后采用方案2进行混凝土外包。

依托广安市官盛渠江大桥, 通过对横撑横梁外包混凝土不同浇筑方案中横撑横梁骨架应力、骨架变形、混凝土应力进行对比分析, 得出以下结论。

1) 不同分环方案对横撑横梁骨架应力、骨架变形、混凝土应力均有影响, 第1次浇筑混凝土湿重越大, 骨架产生的应力和变形越大, 但混凝土产生的拉应力越小。

2) 进行分环浇筑的横撑横梁混凝土, 由于下环混凝土形成刚度后, 与骨架共同受力, 增大骨架刚度, 可以改善骨架受力, 但要综合考虑混凝土湿重对骨架变形的影响。

3) 由于劲性骨架在外包混凝土过程中只起支架作用, 外包混凝土完成后, 将退化为钢筋混凝土中的钢筋作用, 因此进行横撑横梁浇筑混凝土分环时, 在满足横撑横梁骨架承载力、稳定性、现场施工条件时, 尽量增加下环外包混凝土质量, 但要避免上环混凝土湿重作用使下环已浇筑完成且形成刚度的混凝土开裂, 合理分环。

4) 倾斜的横撑横梁桁架对结构受力不利, 建议增加结构受力富余度。