摘 要：鋼管混凝土拱橋有許多優點，在我國發展也很迅速，獲得了許多成功的經驗。但是，目前尚無鋼管混凝土拱橋的設計及施工規范，因此，必須注意總結經驗，防止在工程中發生事故。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構分析，提出一些看法，以供參考。
關鍵詞：鋼管混凝土拱橋 施工事故 結構分析 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展的新技術，具有自重輕、強度大、抗變形能力強、承載能力大的優點，并且用料省、安裝重量輕、施工簡便、工期短、養護工作量小，是大跨度拱橋的一種比較理想的結構形式。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計與施工方面有許多成功的經驗。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經驗，防止在施工過程中發生事故。
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，腹腔內部沿縱向長度每間隔1m 設有Φ25mm 拉桿。在橫橋向內傾13°形成提籃式。系梁采用單箱三室預應力混凝土箱形截面。吊桿布置采用尼爾森體系，在吊桿平面內，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。系桿采用體外預應力索的形式，全橋設16 束成品體外索，對稱施加于拱腳處，系桿與系梁無粘結。兩拱肋之間設五道橫撐，分別為K 型撐、直型撐和拱頂的X 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計強度C50 的90%后才進行，管內泵送混凝土的壓力設計值≤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不斷地自上而下灌入鋼管拱肋內，無須振搗，其優點是省時省工，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，泵管不易阻塞，無須搭設腳手架，工人勞動強度低；缺點是混凝土澆注過程不能直觀呈現，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，需嚴密監控，警惕事故的發生。
五、事故簡述
在按設計及施工工藝要求壓注鋼管拱腹板內混凝土期間，上午8：40 先壓注下游側1#倉砼，至10：30 時，1#倉基本壓滿，但此時突然聽到拱肋內有咔咔的響聲，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。后經觀測，發現上游側腹板上緣焊縫開裂，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）。施工單位現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砼灌注完畢。
六、結構受力狀態分析
事故發生后，有關部門組織了多方面的技術力量進行調查、分析和研究。我們承擔了進行結構分析的任務，主要采用ANSYS 有限元軟件進行分析。
事故發生時，腹板內砼壓注過程中砼陷度為20—22cm，泵機壓力表顯示壓力≤10MPa，即腹腔內泵送混凝土的壓力≤0.2MPa（根據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，腹腔內混凝土的泵送過程只進行了一半，其不符合平面應變問題的要求，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、下弦管內的混凝土已達到了要求的強度，即其與鋼管已粘結形成整體共同受力，可采用BEAM4 單元進行模擬。鋼管為Φ1000×16mm，內填C50 微膨脹混凝土，通常視鋼管混凝土構件為勻質材料， 按照統一理論計算后， 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。計算結果如表一所示。
七、脹裂原因分析
①腹板內砼壓注過程中砼陷度為20～22cm，泵機壓力表顯示壓力≤10MPa，在聽到腹板內的“咔咔”聲響之前，沒發現異常現象；
②根據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，從而導致腹板外脹；
③下游側1#倉腹板焊縫開裂后，經過察看，發現鋼襯墊外觀完好，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
根據該處腹板脹裂情況，為保證主拱結構的受力性能，我們建議采用如下方案對下游側l#倉腹板處理補強。
（1）將原開裂處（兩端各延伸300～500mm）按設計焊縫要求補焊；
（2）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；
（3）考慮到外觀原因，可將四個拱腳內側進行局部裝飾，采用δ=8mm 的Q235 裝飾鋼板于腹板塞焊，內灌水泥沙漿修補。
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、結束語
下承式鋼管混凝土系桿拱橋施工由于技術相對復雜，要求在施工過程中更注意質量的把握，特別是拱肋混凝土的澆注。因此，需經常性的監測，且常與設計單位聯系，出現問題馬上著手解決，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展十分迅速，但相關的設計及施工標準卻十分缺乏。建議有關部門加大這種橋型的基礎研究力度，并總結已建成的鋼管混凝土拱橋施工和監測的相關數據和經驗教訓，加緊相關標準和規范的制定，以防止事故的發生。
參考文獻
[1] 陳寶春.鋼管混凝土拱橋設計與施工.人民交通出版社.1999.
[2] 蔡紹懷.我國鋼管混凝土結構技術的最新進展.土木工程學報.1999.4：P16~P26.
[3] 鐘善桐.鋼管混凝土結構.黑龍江科技出版社.1994.
[4] 陳寶春.鋼管混凝土拱橋發展綜述.橋梁建設.1997.2：8~13.
[5] 秦榮.計算結構非線性力學.廣西科技出版社.1999.
