特大跨钢管混凝土拱桥施工阶段稳定性分析的学习体会

文献概况与研究背景

曾勇和莫磊（2022）发表于《河南城建学院学报》第31卷第3期的这篇论文，以合江长江大桥主桥530 m中承式钢管混凝土拱桥为研究对象，针对施工阶段拱肋吊装的最大悬臂阶段（未加最后两片横撑）进行空气静力稳定性分析。该研究由重庆市留学人员回国创业创新支持基金、山区桥梁结构与材料教育部工程研究中心开放基金及山区桥梁及隧道工程国家重点实验室开放基金资助，作者团队来自重庆交通大学山区桥梁及隧道工程省部共建国家重点实验室，具有深厚的山区桥梁结构研究积累。

特大跨钢管混凝土拱桥在施工过程中，拱肋吊装阶段是结构最危险的工况之一。拱肋在未形成完整拱圈之前，其结构体系本质上是一个悬臂梁或悬臂框架，在自重和风荷载作用下容易发生侧向失稳。特别是当拱肋吊装至最大悬臂状态时，结构刚度最弱、位移最大，稳定性储备最低，是施工控制的关键环节。

核心分析方法与结果解读

有限元模型建立

研究利用ANSYS有限元软件建立了塔-索-梁一体化有限元分析模型，对半跨模型（未加最后两片横撑）进行了最大悬臂状态的静力分析和稳定分析。模型综合考虑了几何非线性和荷载非线性等因素，这对于大跨拱桥施工阶段的稳定性分析至关重要。几何非线性体现在结构在大变形条件下的刚度退化效应，荷载非线性则涉及风荷载与结构位移之间的耦合关系。

对于钢管混凝土拱肋的建模，需要特别注意钢管与核心混凝土之间的协同工作模拟。在有限元分析中，通常采用超单元法或协同工作单元来模拟钢管混凝土的复合行为。钢管一般采用壳单元或梁单元模拟，核心混凝土采用实体单元或梁单元模拟，两者之间通过共享节点或约束关系实现协同。

关键计算结果

分析结果表明，横桥向结构的最大位移为1.72 m，最大位移发生在拱顶。在肋吊装的最大悬臂阶段，塔-索-梁结构体系满足位移和稳定性要求。

塔-索-拱体系协同作用

合江长江大桥采用塔-索-拱体系，这一结构形式在特大跨拱桥中较为先进。在施工阶段，塔和索起到临时支撑和约束拱肋的作用，显著改善了拱肋吊装阶段的力学性能。塔-索-梁一体化模型能够准确反映各构件之间的相互作用关系，避免了简化模型可能带来的误差。

钢管混凝土拱肋的制造与焊接质量考量

从钢管制造与焊接技术的角度审视，钢管混凝土拱桥的施工阶段稳定性与拱肋钢管的制造质量密切相关。530 m跨度的拱桥，其拱肋钢管通常采用大口径厚壁钢管，可能采用LSAW（直缝埋弧焊）或UOE（成型-弯曲-膨胀）工艺制造。

在拱肋吊装阶段，钢管混凝土拱肋的刚度直接取决于钢管的几何完整性和焊接质量。若钢管焊缝存在未熔合、裂纹、气孔等缺陷，将导致局部刚度下降，进而影响整体结构的稳定性。特别是对于大口径钢管的环焊缝和纵焊缝，焊接残余应力和变形控制至关重要。建议在拱肋吊装前，对关键焊缝进行严格的无损检测（UT/RT），确保焊缝质量达到设计要求。

此外，钢管混凝土拱肋的钢管与混凝土之间的粘结性能也直接影响施工阶段的稳定性。在混凝土浇筑后，钢管与混凝土之间的摩擦力和粘结力是拱肋整体刚度的重要组成部分。若钢管内壁处理不当（如存在油污、锈蚀层未清除），可能导致钢管与混凝土之间的粘结力不足，影响施工阶段的承载能力和稳定性。

工程实践启示与施工控制建议

该研究为特大跨钢管混凝土拱桥的施工阶段稳定性分析提供了有价值的参考。在实际工程施工中，建议采取以下控制措施：

第一，在拱肋吊装过程中，应严格控制吊装速度，避免突加荷载引起的动力效应。风荷载作用下，拱肋的振动响应可能显著增加，建议设置临时缆风绳或液压千斤顶作为临时支撑。

第二，对于最大悬臂阶段的位移控制，应设置实时监测系统，包括位移传感器、应变传感器和倾角传感器，确保施工过程中的结构响应在可控范围内。当实测位移接近计算值时，应及时采取措施（如加速安装横撑、增加临时支撑等）。

第三，从钢管焊接质量的角度，拱肋钢管的焊接接头应在工厂内完成并经过严格的无损检测和力学性能试验。现场焊接接头（如有）应在吊装前完成并检验合格。焊接工艺评定（WPS/PQR）应针对钢管的具体材质和厚度进行，确保焊缝质量满足设计要求。

学习心得与总结

本文的研究充分体现了数值模拟在特大跨桥梁施工阶段稳定性分析中的重要作用。通过建立考虑几何非线性和荷载非线性的有限元模型，能够较为准确地预测施工过程中的结构响应，为施工方案的优化和安全控制提供依据。对于从事钢管混凝土拱桥设计和施工的工程师而言，该文献提醒我们：施工阶段的稳定性分析不能仅依赖常规的结构设计计算，必须针对施工过程中的各个关键工况进行专项分析，特别是最大悬臂阶段这一最不利工况。同时，钢管混凝土拱肋的制造质量、焊接质量和钢管与混凝土的粘结性能是影响施工阶段稳定性的基础因素，必须在制造和施工环节严格把控。该研究对于同类特大跨钢管混凝土拱桥的施工阶段稳定性评估具有重要的参考价值。