鋼箱拱臨時(shí)合攏構(gòu)造措施及力學(xué)行為分析

陳 松，周志祥，韋 軼

（重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074）

鋼箱—砼組合拱橋以鋼箱成拱，在鋼箱不同區(qū)段內(nèi)澆筑混凝土，鋼箱拱肋施工根據(jù)地形、施工條件常見形式有豎轉(zhuǎn)施工、吊裝施工。

鋼箱拱因其獨(dú)特的構(gòu)造不僅能夠通過(guò)填筑混凝土適應(yīng)結(jié)構(gòu)受力需要，更能廣泛地適應(yīng)施工地形、機(jī)械設(shè)備等條件，比常規(guī)拱肋橋具有更靈活的施工方式。依托工程夾灘筍溪河大橋采用兩節(jié)段鋼箱吊裝合攏，合攏時(shí)拱頂、拱腳設(shè)置引導(dǎo)鋼筋實(shí)現(xiàn)鋼箱對(duì)位，通過(guò)頂板、底板設(shè)置連接板。錨固螺栓通過(guò)連接板上設(shè)置的預(yù)留孔，實(shí)現(xiàn)截面合攏，如圖1所示。因此，合理的布置連接板的位置及數(shù)量對(duì)合攏時(shí)期的安全性及裸鋼箱受力有重要意義。

1 構(gòu)造研究

1.1 合攏連接板布置形式分析

1.1.1 臨時(shí)合攏連接板參數(shù)設(shè)定

鋼箱連接板參數(shù)（如圖2所示），鋼箱頂板和底板臨時(shí)焊接連接板個(gè)數(shù)均為n1，腹板一側(cè)臨時(shí)焊接連接板個(gè)數(shù)為n2。

由以上參數(shù)計(jì)算圖示可以得到

頂?shù)装暹B接板數(shù)量：n1＝ （W－2l4）／l3；

單側(cè)腹板連接板數(shù)：n2＝ （H－2l2）／l1；

連接板總面積：A＝2（n1＋n2）bh。

1）連接板承擔(dān)的軸力和彎矩根據(jù)結(jié)構(gòu)整體剛度計(jì)算確定，僅考慮主拱在面內(nèi)的彎矩、軸力。

2）臨時(shí)合攏連接板的慣性矩由鋼箱頂?shù)装宓倪B接板和鋼箱腹板連接板提供。

1.1.2 分析推導(dǎo)

1）鋼箱頂?shù)装暹B接板根據(jù)對(duì)稱原則簡(jiǎn)化布置，其對(duì)x軸的慣性矩為

圖1 鋼箱臨時(shí)合攏截面

2）腹板連接板按照簡(jiǎn)化計(jì)算原則，對(duì)稱布置計(jì)算：

圖2 臨時(shí)合攏連接板數(shù)量參數(shù)設(shè)定

整個(gè)鋼箱連接板的慣性矩

在壓彎組合狀態(tài)下由截面應(yīng)力計(jì)算公式

其中：A＝ （n1＋n2）th，y0＝H／2，

可得n1、n2的如下關(guān)系式

式中：N為作用組合在截面產(chǎn)生的軸力，M為作用組合在截面產(chǎn)生的彎矩，H為鋼箱內(nèi)壁凈高度，t為連接板的厚度，h為連接板的高度，l1為腹板連接板的間距，n1為頂板（底板）連接板數(shù)量，n2為一側(cè)腹板連接板數(shù)量。

對(duì)于一個(gè)確定的鋼箱，已知的參數(shù)有N，M，H，t，h，l1，其中N，M為結(jié)構(gòu)重力、施工荷載及溫度荷載等作用在拱上產(chǎn)生的內(nèi)力。代入相應(yīng)數(shù)值可得一個(gè)關(guān)于n1，n2的不等式，通過(guò)試算即可確定n1，n2的數(shù)量，其中n1、n2有不同組合形式。

2 合攏階段力行為分析

2.1 鋼箱拱吊裝合攏

鋼箱吊裝合攏階段采用先拱頂合攏再拱腳，施工過(guò)程為：鋼箱兩段起吊→拱頂、拱腳引導(dǎo)就位→拱頂合攏形成兩鉸拱受力體系→拱腳合攏形成無(wú)鉸拱。鋼箱拱肋沿曲線長(zhǎng)度為53.35m，水平投影長(zhǎng)度50m，按照吊點(diǎn)布置位置的連線與鋼箱截面形心在同一豎直面上，并采用吊索的合力作用線通過(guò)重心的原則布置吊點(diǎn)，吊點(diǎn)布置于距拱頂17.5m、拱腳9.8m位置。

拱肋吊裝合攏過(guò)程中，鋼箱截面錨固工作分散，錨固耗時(shí)較長(zhǎng)，在此過(guò)程只有完整考慮荷載對(duì)鋼箱拱肋的作用，才能保證合攏截面連接板計(jì)算的安全性。

結(jié)構(gòu)跨中合攏狀態(tài)下，形成兩鉸拱受力體系，所受荷載主要包括自重和施工荷載；結(jié)構(gòu)在拱腳合攏后形成無(wú)鉸拱體系，承受溫度荷載等對(duì)拱肋的作用。

2.2 受力行為分析

運(yùn)用有限元分析程序Midas／Civil，建立主拱有限元模型，根據(jù)施工過(guò)程體系的轉(zhuǎn)變，荷載形式的不同，以研究主拱受力行為的變化。

荷載：施工過(guò)程中合攏溫度為20℃，分別計(jì)算升降溫10℃在鋼箱拱內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)力；

自重：按照材料的容重76.98kN／m3計(jì)算。

合攏過(guò)程鋼箱拱受力行為變化如圖3～圖6所示。

鋼箱合攏過(guò)程中，起吊就位時(shí)沿鋼箱截面應(yīng)力較小，兩吊點(diǎn)處截面為起吊階段控制截面。

拱頂合攏后，兩鉸拱體系承受結(jié)構(gòu)自重，拱腳壓應(yīng)力值為6.38MPa，自重在拱內(nèi)各截面引起的應(yīng)力值變化不大。

合攏拱腳后其轉(zhuǎn)化為無(wú)鉸拱體系，升降溫10℃狀態(tài)下與自重作用下應(yīng)力疊加，其應(yīng)力值沿橋長(zhǎng)方向變化較明顯，L／4處截面位置主要承受軸向力。

根據(jù)不同荷載作用下在拱頂和拱腳引起的內(nèi)力值見表1。

表1 拱頂和拱腳截面內(nèi)力

3 實(shí)例計(jì)算

3.1 連接板數(shù)量擬定

根據(jù)鋼箱拱肋合攏連接板數(shù)量參數(shù)化公式推導(dǎo)，就江津區(qū)夾灘筍溪河鋼箱－砼拱橋拱肋臨時(shí)合攏連接板的數(shù)量進(jìn)行計(jì)算分析。

連接板幾何參數(shù)：H＝2074mm、t＝10mm、h＝100mm、l1＝345mm。

按照作用組合Ⅰ和作用組合Ⅱ，可以得到僅含n1，n2的不等式，保證結(jié)構(gòu)安全及滿足經(jīng)濟(jì)性條件下n1，n2均為整數(shù)，代入數(shù)值在等式中計(jì)算，在兩種工況下偏安全取值：拱腳部位n1＝3，n2＝2，拱頂部位n1＝2，n2＝2。

3.2 應(yīng)力復(fù)核

在拱腳處按照對(duì)稱原則頂?shù)装宸謩e布置3塊連接板，腹板分別布置2塊連接板，則其最不利應(yīng)力可計(jì)算得

而在拱頂部位，按照對(duì)稱布置原則分別在頂?shù)装宀贾?塊連接板，其最不利應(yīng)力值為

因此，采用該種布置形式，既能保證結(jié)構(gòu)受力需要，又能夠減少施工環(huán)節(jié)措施，實(shí)現(xiàn)臨時(shí)固定過(guò)程的快速安裝，達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)的效果。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)鋼箱拱肋的合攏構(gòu)造分析獲得鋼箱拱肋連接板的合理布置依據(jù)，以江津筍溪河大橋?yàn)槔?，?yàn)證連接板布置形式的合理性，可為類似工程提供參考。

拱頂連接板合攏后，在自重荷載作用下，按照兩鉸拱受力模型計(jì)算是合理的。

拱腳連接板合攏后，在外荷載作用下，應(yīng)按照無(wú)鉸拱受力形式計(jì)算，與自重作用下的截面應(yīng)力按照疊加原理組合。

自重作用下鋼箱拱以受軸壓為主，而溫度變化在成拱后引起的內(nèi)力變化較大，其壓彎特征明顯。

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