大跨钢管混凝土拱桥施工阶段动力特性研究——文献学习体会

文献概况与技术背景

本文发表于《重庆交通大学学报（自然科学版）》2014年第33卷第5期，由重庆交通大学曾勇、谭红梅完成，研究受国家"973"计划（2012CB723305）、交通运输部应用基础研究项目（2013319814180）等资助。研究以合江长江一桥为工程背景，运用ANSYS建立塔-索-拱一体化施工阶段有限元模型，研究大跨度钢管混凝土拱桥施工阶段的动力特性，并与不考虑扣塔的索-拱模型进行对比分析。

钢管混凝土拱桥是我国大跨桥梁建设中的重要结构形式，其主拱肋采用钢管混凝土（CFST）结构，兼具钢管的延性和混凝土的抗压性能。施工阶段的动力特性分析对于指导施工监控、评估结构安全具有关键意义。合江长江一桥作为当时跨度最大的钢管混凝土拱桥之一，其施工阶段动力特性的研究具有重要的工程参考价值。

一体化建模与动力特性分析

本文的核心创新在于提出了"塔-索-拱"一体化建模方法，认为扣塔、扣索和拱肋之间存在耦合效应，只有采用一体化建模才能真实反映施工阶段的动力特性。研究建立了两个对比模型：模型1为考虑扣塔的塔-索-拱一体化模型，模型2为不考虑扣塔的索-拱模型。

研究结果表明，考虑扣塔建模后，模型1的基频降低了12%，拱肋与扣塔相互耦合，高阶振型复杂，结构横桥向刚度弱，风敏感性更为突出。两个模型30阶后的频率接近一条直线，背索和扣索的索力变化对低频频率影响不大。

从钢管制造与焊接的角度来看，钢管混凝土拱桥的拱肋制造涉及以下关键技术环节：

1. 大直径厚壁钢管的制造：拱肋钢管直径通常在800~2000mm之间，壁厚可达20~40mm，通常采用LSAW（直缝埋弧焊）或SAW（埋弧焊）工艺制造。根据GB/T 9711和API 5L的要求，大直径钢管的焊缝应进行100% RT（射线检测）和UT（超声检测），焊缝质量等级应达到B级以上。
2. 钢管的冷弯成型：拱肋钢管需要按照拱轴线曲率进行冷弯成型，成型过程中应严格控制椭圆度和壁厚减薄率。对于大跨度拱桥，钢管的冷弯成型精度直接影响拱肋的线形和受力性能。
3. 拱肋节段对接焊接：拱肋在工厂分节段制造，现场进行节段对接焊接。焊接方法通常采用SMAW（手工电弧焊）打底、FCAW（药芯弧焊）或SAW（埋弧焊）填充盖面。焊接工艺评定（PQR）应覆盖实际焊接位置（如仰焊、立焊等），确保焊缝质量满足设计要求。
4. 钢管内混凝土浇筑：钢管混凝土拱肋的混凝土浇筑采用泵送工艺，混凝土应具有较好的流动性和自密实性。浇筑过程中应控制混凝土的坍落度（通常为180~220mm），并在钢管上设置振捣孔和观察孔，确保混凝土浇筑密实。

施工阶段动力特性对焊接质量的启示

施工阶段动力特性分析的结果对钢管焊接质量控制具有重要的指导意义：

第一，拱肋节段对接焊缝是施工阶段结构受力的薄弱环节。在合龙过程中，拱肋承受温度应力、施工荷载和动力荷载的共同作用，焊缝区域容易出现应力集中。建议对拱肋对接焊缝进行100% UT检测，并在合龙前后进行焊缝的磁粉检测（MT）复检，确保无裂纹等致命缺陷。

第二，扣塔与拱肋的连接节点是塔-索-拱耦合效应的关键部位。该节点的焊接质量直接影响结构的动力特性和承载能力。建议采用全熔透焊缝，焊接后消除应力热处理，并进行全焊透UT检测。

第三，施工阶段的动力响应分析可以为焊接工艺优化提供参考。通过分析拱肋在施工阶段的应力分布，可以确定焊缝的受力状态，从而优化焊接顺序和焊接参数，减少焊接残余应力与施工应力的叠加效应。

第四，风敏感性分析结果提示，拱肋的横桥向刚度较弱，在施工阶段应加强临时支撑措施。临时支撑与拱肋的连接焊缝应作为重要焊缝进行管理，焊接质量等级不低于B级。

工程实践反思与技术展望

从二十余年的钢管制造与焊接工艺实践来看，大跨钢管混凝土拱桥的施工阶段动力特性研究具有重要的工程指导价值。本文的塔-索-拱一体化建模方法为施工监控提供了更精确的分析工具，而基频降低12%的结果则提醒工程技术人员在施工阶段应更加关注结构的动力稳定性。

对于钢管制造和焊接质量控制，建议在实际工程中采取以下措施：

1. 建立钢管制造全过程质量追溯体系，从原材料入厂检验、钢管成型、焊接、无损检测到成品出厂，每个环节均应有完整的质量记录。
2. 拱肋节段焊接应编制详细的焊接工艺规程（WPS），焊接参数应经过焊接工艺评定验证，焊工应持有相应资质。
3. 施工阶段的焊接作业应合理安排，避免在高温、大风等不利条件下进行焊接，确保焊接质量。
4. 合龙前后应对关键焊缝进行复检，采用UT或TOFD方法检测焊缝内部缺陷，必要时进行PT（渗透检测）复检表面缺陷。

总体而言，本文在钢管混凝土拱桥施工阶段动力特性研究方面取得了有价值的成果，塔-索-拱一体化建模方法为工程实践提供了新的分析思路。对于从事钢管制造和焊接工艺的技术人员而言，理解施工阶段动力特性与焊接质量之间的关系，将有助于提升工程质量和施工安全水平。