大跨徑鋼筋混凝土拱圈安裝過程設(shè)計

劉 康, 黃才良, 王會利

(大連理工大學(xué) 橋梁工程研究所, 遼寧 大連 116024)

拱橋造型美觀,穩(wěn)定性好,在現(xiàn)代橋梁設(shè)計中被越來越多的采用.拱橋施工方法多樣,纜索吊裝結(jié)合扣錨索的施工方法因其技術(shù)成熟、成拱質(zhì)量高、工期短、效益好,而被經(jīng)常采用[1-2].

1 工程概況

黔中水利樞紐一期工程總干渠龍場渡槽是一上承式鋼筋混凝土箱形截面拱結(jié)構(gòu),混凝土標(biāo)號為C55,拱圈凈跨徑L0=200 m,凈矢高f0=40 m,矢跨比為1/5.拱圈下緣線形為懸鏈線,拱軸系數(shù)m=2.24.拱上的槽殼為簡支結(jié)構(gòu),支承在拱上排架上,其跨度為15.0 m.拱圈截面為變寬度單箱雙室截面(見圖1),拱圈寬度從12.0 m(拱腳)漸變?yōu)?.5 m(拱頂),寬度變化曲線是頂部位于拱頂?shù)亩螔佄锞€.截面高度為3.5 m.拱圈截面頂?shù)装搴穸葹?0 cm,邊腹板厚度為65 cm,中腹板厚度為40 cm.

圖1 拱圈斷面圖(單位:cm)Fig.1 Sectional diagram of arch ring (Unit: cm)

2 安裝過程計算

2.1 拱圈施工方案概述

拱圈0#塊在貝雷桁架和臨時斜拉扣索組成的支架上分層現(xiàn)澆.除0#塊和拱頂合龍段外,拱圈其余部分采用全斷面分段預(yù)制、懸臂拼裝(纜索吊裝配合斜拉扣掛)的安裝方案,縱向每側(cè)共分13個預(yù)制節(jié)段,全橋共有26個預(yù)制安裝節(jié)段.

預(yù)制安裝節(jié)段采用纜索吊機(jī)吊裝運輸?shù)轿?節(jié)段到位后其后方坐落于已安裝塊件前方的牛腿結(jié)構(gòu)上,節(jié)段前方安裝扣索及側(cè)向纜索.拆除纜索吊機(jī)的吊索后,利用扣索調(diào)整塊件的安裝標(biāo)高,利用側(cè)向纜索調(diào)整塊件軸線.待塊件姿勢調(diào)整完畢后,焊接邊腹板上、下緣的連接鋼板,灌注邊腹板拼接縫.待灌縫填料強度達(dá)到設(shè)計強度后,放松側(cè)向纜索,調(diào)整扣索索力.用同樣的方法再安裝一個塊件.同時澆筑前方兩個塊件的濕接縫混凝土,待濕接縫混凝土達(dá)到設(shè)計強度后調(diào)整扣索索力,然后再進(jìn)行下一循環(huán)的安裝施工.在安裝過程中,錨索索力按要求隨時調(diào)整,以確?；炷两唤缍占颁摽鬯氖芰Π踩?

預(yù)制節(jié)段安裝完畢后,安裝拱頂合龍段勁性骨架,澆筑合龍段混凝土[3].

2.2 計算模型[4-5]

拱圈的安裝過程按平面桿系結(jié)構(gòu)有限元模型進(jìn)行計算,計算模型示意圖見圖2.

計算模型中有如下若干假定:

(1) 前方塊件安裝到調(diào)整塊件坐標(biāo)時,塊件后方節(jié)點按鉸接計算.

(2) 接縫連接鋼板焊接完畢,灌縫填料達(dá)到設(shè)計強度后,接縫處采用“連接鋼板+每側(cè)85 cm的邊腹板”的梁單元.

(3) 濕接縫混凝土達(dá)到設(shè)計強度后,接縫處疊加一個邊腹板厚度為40 cm的單箱雙室的鋼筋混凝土梁單元.

(4) 拱圈鋼筋混凝土容重按26 kN/m3計.

圖2 計算模型示意圖Fig.2 Schematic drawing of calculation model

安裝過程控制參數(shù)確定原則如下:

(1) 前方塊件安裝到位時,扣索第一次張拉的索力T0按靜力平衡確定.

(2) 待接縫鋼板焊接完畢,灌縫填料達(dá)到設(shè)計強度后,對前方扣索進(jìn)行第二次張拉時,使接縫下緣拉應(yīng)力不大于1.5 MPa.

(3) 在次前方接頭濕接縫混凝土澆筑前,前方又安裝一個塊件時,次前方接縫上緣拉應(yīng)力不大于1.5 MPa.

(4) 在滿足(2)和(3)兩個條件時,假定灌縫填料不起作用,完全依靠連接鋼板傳遞接頭彎矩,鋼板及其連接焊縫的承載力滿足要求.

(5) 在整個拱圈安裝過程中,拱圈混凝土截面拉應(yīng)力不大于1.5 MPa,最大壓應(yīng)力不大于10.0 MPa,當(dāng)調(diào)整前方扣索不能完全滿足此要求時,適當(dāng)調(diào)整后方扣索,或拆除某些扣索.

0#塊及1#塊扣索、錨索在澆筑8#～9#和9#～10#間濕接縫后拆除,其余各纜索拆除流程如表1所示.

表1 纜索拆除流程表Table 1 Flow table of cable demolition process

2.3 計算結(jié)果

圖3為拱圈拼裝過程的拱圈截面應(yīng)力包絡(luò)圖.從應(yīng)力包絡(luò)圖中可以發(fā)現(xiàn),在拱圈拼裝過程中,拱圈上緣最大壓應(yīng)力為5.88 MPa,最大拉應(yīng)力為-1.38 MPa.拱圈截面下緣最大壓應(yīng)力為6.42 MPa,最大拉應(yīng)力為-1.47 MPa.

拱圈截面的最大壓應(yīng)力:

σmax=6.42 MPa<0.5fc k=17.75 MPa

最大拉應(yīng)力:

σmax=1.47 MPa<0.7ft k=1.92 MPa

上述應(yīng)力計算范圍包括預(yù)制拱圈及濕接縫,因此拱圈混凝土應(yīng)力滿足規(guī)范要求.

圖4為纜索拆除過程的拱圈截面應(yīng)力包絡(luò)圖.從應(yīng)力包絡(luò)圖中可以發(fā)現(xiàn),在纜索拆除過程中,拱圈上緣最大壓應(yīng)力為8.00 MPa,最大拉應(yīng)力為-0.94 MPa.拱圈下緣最大壓應(yīng)力為7.86 MPa,最大拉應(yīng)力為-0.85 MPa.

拱圈截面的最大壓應(yīng)力:

σmax=8.00 MPa<0.5fc k=17.75 MPa

最大拉應(yīng)力:

σmax=0.94 MPa<0.7ft k=1.92 MPa

上述應(yīng)力計算范圍包括預(yù)制拱圈及濕接縫,因此拱圈混凝土應(yīng)力滿足規(guī)范要求.

圖3 拱圈拼裝過程的拱圈截面應(yīng)力包絡(luò)圖(單位:MPa)Fig.3 Stress envelope diagram of arch ring section during assembling process(Unit: MPa)

圖4 纜索拆除過程的拱圈應(yīng)力包絡(luò)圖(單位:MPa)Fig.4 Stress envelope diagram of arch ring section during cable demolition process(Unit: MPa)

3 結(jié) 論

(1) 安裝兩個塊件后再進(jìn)行兩個混凝土濕接縫的澆筑是可行的,但必須對前方兩道纜索進(jìn)行精確的控制,以確?；炷翝窠涌p達(dá)到強度前邊腹板接縫的安全.

(2) 在拱圈懸臂安裝過程中,一般的纜索(包括扣索和錨索)均要進(jìn)行三次張拉,即塊件安裝到位時、邊腹板灌縫達(dá)到強度后、塊件濕接縫達(dá)到強度后.

(3) 在懸臂施工狀態(tài)下,個別拉索拆除時應(yīng)保持同號扣索和錨索的同步、平穩(wěn)、按比例卸載,避免鋼絞線在高應(yīng)力狀態(tài)下的人為切斷,以確?？鬯⒐叭σ约叭藛T設(shè)備的安全.

(4) 張拉設(shè)備及錨具構(gòu)造應(yīng)能夠適應(yīng)反復(fù)張拉、緩慢釋放的要求.以選擇能夠連續(xù)、平穩(wěn)張拉和釋放的連續(xù)千斤頂為宜.

參考文獻(xiàn):

[1]姚玲森,項海帆,顧安邦. 橋梁工程[M]. 2版. 北京:人民交通出版社, 2008.

(Yao Lingsen, Xiang Haifan, Gu Anbang. Bridge Engineering[M]. 2nd ed. Beijing: China Communications Press, 2008.)

[2]毛偉琦. 大跨度鋼筋混凝土拱橋吊裝施工設(shè)計[J]. 橋梁建設(shè), 2007(s1):18-21.

(Mao Weiqi. Construction Design of Lifting and Erection of Long Span Reinforced Concrete Arch Bridge[J]. Bridge Construction, 2007(s1):18-21.)

[3]尚晉,李冬,李博強. 懸澆梁合龍段勁性骨架結(jié)構(gòu)分析[J]. 沈陽大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2013,25(4):326-331.

(Shang Jin, Li Dong, LiBoqiang. Structural Analysis of Stiff Rigid-Frame in Closure Section of Cantilever Casted Bridge[J]. Journal of Shenyang University: Natural Science, 2013,25(4):326-331.)

[4]龍馭球,包世華. 結(jié)構(gòu)力學(xué)教程[M]. 2版. 北京: 高等教育出版社, 2006.

(Long Yuqiu, Bao Shihua. Structural Mechanics[M]. 2nd ed. Beijing: Higher Education Press, 2006.)

[5]項海帆,姚玲森. 高等橋梁結(jié)構(gòu)理論[M]. 北京:人民交通出版社, 2001.

(Xiang Haifan, Yao Lingsen. Higher Bridge Structure Theory[M]. Beijing: China Communications Press, 2001.)