鋼拱架水箱預(yù)壓試驗(yàn)及預(yù)拱度設(shè)置

蔣田勇，羅舟滔，江名峰

(1.長沙理工大學(xué)，湖南 長沙 410114;2.桂陽縣農(nóng)村公路管理站，湖南 桂陽 424400)

0 引言

鋼拱架作為混凝土拱橋拱肋澆注的臨時(shí)支架，其在混凝土澆筑過程中的穩(wěn)定性和變形量直接影響混凝土澆筑的質(zhì)量與安全，因此在施工前有必要對其進(jìn)行預(yù)壓試驗(yàn)。近年來，很多學(xué)者對支架進(jìn)行了預(yù)壓試驗(yàn)和研究，如狄寶才等對簡支箱梁橋的移動(dòng)模架進(jìn)行了預(yù)壓試驗(yàn)，荷載采用砂袋和鋼筋，進(jìn)行三級(jí)加載和卸載，觀測了主梁和翼板各個(gè)測點(diǎn)的沉降，最后確定了移動(dòng)模架受力構(gòu)件的安全狀況和模架模板的預(yù)拱度取值［1］;梁永平等結(jié)合蘭新鐵路第二雙線某連續(xù)梁，通過建立有限元模型分析了支架變形，并與實(shí)測值進(jìn)行比較分析，提出了衡量支架變形可靠性的方法，并對施工預(yù)拱度的合理設(shè)置［2］;劉三友等以MSS32－900 型下行式移動(dòng)模架為試驗(yàn)對象，采用現(xiàn)場堆載預(yù)壓試驗(yàn)方法模擬施工工況，測試移動(dòng)模架的變形規(guī)律，得出梁底?？缰械念A(yù)拱度值與堆載預(yù)壓、預(yù)應(yīng)力張拉及混凝土收縮徐變、殘余徐變拱度值之間的關(guān)系和預(yù)拱度設(shè)置的計(jì)算公式［3］?？傊Ъ茴A(yù)壓試驗(yàn)?zāi)壳爸饕且远演d預(yù)壓法為主［4］，而目前國內(nèi)對于水箱預(yù)壓方面的研究和工程實(shí)例應(yīng)用偏少。下面結(jié)合湖南郴州桂陽縣龍江渡大橋鋼拱架水箱預(yù)壓的實(shí)際施工過程進(jìn)行探討。

1 工程概況

龍江渡大橋位于湖南省郴州市桂陽縣，是歐陽海水庫渡改橋而興建的大橋。大橋是由25 m+90 m+25 m 三聯(lián)拱組成，橋?qū)?.0 m。大橋主跨為等截面矩形雙肋式鋼筋混凝土拱橋，主拱圈軸線采用懸鏈線型，凈跨90 m，矢高13 m，矢跨比F0/L0=1/6.923。主拱圈高度為1.8 m，單肋寬0.9 m。主拱圈由兩條分離式拱肋、肋間橫系梁及剪力撐等聯(lián)成整體。橋面行車道系由行車道橫梁和縱梁以及鋼筋混凝土橋面板組成。橋面凈寬為8.5 m，設(shè)計(jì)荷載為公路－Ⅱ級(jí)，人群荷載3.0 kN/m2。龍江渡大橋立面圖，如圖1 所示。

經(jīng)綜合分析龍江渡大橋所在區(qū)域的地形特點(diǎn)，選擇懸拼鋼拱架現(xiàn)澆砼拱圈的施工方法，即先吊裝合龍鋼拱架，然后在鋼拱架上分段現(xiàn)澆主拱圈，最后完成主體施工?？紤]到龍江渡大橋位于歐陽海庫區(qū)，施工將會(huì)受到歐陽海水庫水位的影響，即現(xiàn)有效可靠的施工水位僅有30 d，如仍按常規(guī)在拱腳段預(yù)留合龍段，并在最后階段才澆注混凝土的施工順序，則在有限的施工水位的情況下無法完成相應(yīng)的施工進(jìn)度。鑒于此，提出了一種新的施工方法，即拱肋混凝土縱向澆筑順序?yàn)?①先在兩拱腳7.3 m 長度(弧長)范圍內(nèi)對稱澆筑1.8 m 高拱肋，留0.5 m 長的合龍段;②從拱頂向兩邊分別對稱澆筑15 m 長度(壓頂)，混凝土澆筑髙度為0.8 m;③從壓腳段開始對稱向上澆筑混凝土至壓頂段位置，混凝土澆筑髙度為0.8 m，并在距離壓頂段兩端位置預(yù)留0.5 m 合龍縫;④采用膨脹混凝土澆筑四處合龍縫;⑤以不同節(jié)段澆注順序進(jìn)行第二環(huán)混凝土的澆注，其中拱腳段澆筑方向?yàn)閺南峦稀⒐绊敹螡仓较驗(yàn)閺恼型鶅砂斗较驅(qū)ΨQ進(jìn)行、中間段從下往上澆筑以及直至澆筑合龍。

圖1 龍江渡大橋立面圖(單位:cm)

圖2 貝雷鋼拱架立面布置圖(單位:cm)

拱肋的臨時(shí)支架采用鋼拱架結(jié)構(gòu)，該拱架由321 桁架片(貝雷片)組拼，兩片一組拼成列，列內(nèi)每隔二片在上弦桿加一節(jié)特制短弦桿以保證拱架弧度，列與列之間為保證橫向穩(wěn)定，除去貫通每列桁架的上下弦橫向支撐架外，再采用熱軋槽鋼加工剪刀架作橫向聯(lián)系，拱架兩側(cè)設(shè)置風(fēng)纜，保證拱架整體穩(wěn)定?，F(xiàn)澆鋼拱架由標(biāo)準(zhǔn)貝雷片節(jié)段、線形調(diào)整短弦桿組成，貝雷片其基本尺寸是長3.0 m、高為1.5 m的熱軋槽鋼、角鋼焊接而成的長方形構(gòu)件，每塊自重為304 kg。貝雷片上下弦、腹桿桿件的材料均為16 Mn，下弦桿之間和貝雷片上弦桿與連接塊之間都是采用軸銷連接的，這種軸銷是用高強(qiáng)鋼鍛造而成。由軸銷將貝雷片連接成無中間支撐的拱片，拱片和拱片之間用橫向連接件及螺栓將貝雷片拱片連接成拱架整體。圖2 為貝雷鋼拱架立面布置圖，圖3 為貝雷片細(xì)部構(gòu)造圖，圖4 為貝雷鋼拱架橫橋向布置圖。混凝土澆注之前必須對鋼拱架進(jìn)行預(yù)壓試驗(yàn)，以期檢驗(yàn)鋼拱架的整體穩(wěn)定性，消除鋼拱架拼裝過程中的非彈性變形，及時(shí)了解鋼拱架在荷載作用下的實(shí)際工作狀態(tài)。

圖3 貝雷片細(xì)部構(gòu)造圖

圖4 鋼拱架橫斷面布置圖(半截面)(單位:cm)

2 預(yù)壓試驗(yàn)

2.1 預(yù)壓方案

考慮龍江渡大梁施工工期緊，如果采用砂袋進(jìn)行預(yù)壓，則砂袋吊裝受到限制，預(yù)壓工期長，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。如果采用水箱進(jìn)行預(yù)壓，可以直接利用歐陽海水庫的水，根據(jù)現(xiàn)場的施工條件及實(shí)際情況，可用水泵直接送到水箱，施工方便、快捷［6］。荷載試驗(yàn)時(shí)，直接在龍江渡大橋鋼拱架上搭設(shè)水箱支架，水箱的外圍和底板均采用黑厚板拼圍，外面用木方支撐加固;對水箱進(jìn)行編號(hào)，根據(jù)荷載集度和預(yù)壓加載程序往箱內(nèi)加載，根據(jù)理論計(jì)算測量水面高度來控制加載重量［7］。在鋼拱架上均勻分布20 個(gè)水 箱。水箱布置和預(yù)壓加載順序圖如圖5 所示。

圖5 水箱布置和預(yù)壓加載順序圖(單位:m)

2.2 預(yù)壓試驗(yàn)程序

拱架預(yù)壓試驗(yàn)主要是靜載試驗(yàn)。第1 環(huán)混凝土澆筑強(qiáng)度達(dá)到90%以上后，再澆筑第2 環(huán)混凝土。第2 環(huán)混凝土的濕重由已澆筑形成強(qiáng)度的拱肋和鋼拱架共同承擔(dān)，但此時(shí)鋼拱架的受力變化較小。鋼拱架在預(yù)壓加載過程中的最大重量以第1 環(huán)混凝土的最大加載重量來控制。根據(jù)施工方案，澆筑拱肋第一環(huán)混凝土?xí)r，兩拱腳7.3 m 長度(弧長)范圍內(nèi)對稱澆筑1.8 m 高拱肋，其余均為澆注0.8 m 高拱肋，再加上模板及腳手架和其它附加荷載共計(jì)3 526.1 kN。預(yù)壓最大加載重量按1.1 倍重量來控制，即實(shí)際加載最大重量為3 879.4 kN。

試驗(yàn)方法采用預(yù)壓荷載模擬主拱圈混凝土的澆筑過程，進(jìn)行實(shí)際加載，驗(yàn)證并得出鋼拱架的承載能力。在預(yù)壓過程中，必須按照混凝土澆筑的順序進(jìn)行加載，且應(yīng)左右對稱，防止傾覆。記錄下各觀測點(diǎn)在空載時(shí)的初始標(biāo)高，并將其作為基準(zhǔn)標(biāo)高。在加載過程中，按預(yù)壓加載最大值的60%、80%、110%3個(gè)階段觀測拱架的變形，并每天安排一次讀數(shù)。當(dāng)加載到預(yù)壓荷載之后，對鋼拱架各測點(diǎn)的高程進(jìn)行持續(xù)觀測，并且持續(xù)時(shí)間不小于混凝土澆筑時(shí)間。鋼拱架加、卸載現(xiàn)場照片，如圖6 和圖7 所示。

預(yù)壓加載到最大值后，對鋼拱架各測點(diǎn)高程進(jìn)行觀測，當(dāng)鋼拱架的撓度和彈性變形趨于穩(wěn)定時(shí)，開始卸載。按預(yù)壓加載時(shí)的分次分級(jí)進(jìn)行逐步卸載，在卸載過程中對撓度進(jìn)行觀測，每卸下一級(jí)荷載，對測點(diǎn)的標(biāo)高均進(jìn)行一次測量，并做詳細(xì)記錄，在數(shù)據(jù)分析時(shí)與加載時(shí)的撓度數(shù)據(jù)進(jìn)行比較［8］。根據(jù)加、卸載實(shí)測數(shù)據(jù)，繪制各測量點(diǎn)的加、卸載過程中鋼拱架的變形曲線，計(jì)算拱架的彈性變形，以此作為預(yù)拱度設(shè)置的主要依據(jù)。

圖6 預(yù)壓加載

圖7 預(yù)壓卸載

2.3 測點(diǎn)布置

縱向布置7 個(gè)監(jiān)測斷面，分別為拱圈的L/8 截面，L/4 截面，3L/8 截面，L/2 截面，5L/8 截面，3L/4截面，7L/8 截面。試驗(yàn)監(jiān)測點(diǎn)布置如圖8 所示。觀測時(shí)最好由同一測量人進(jìn)行讀數(shù)。每次觀測都要對測點(diǎn)的標(biāo)高進(jìn)行記錄，保存好原始數(shù)據(jù)，以備復(fù)核。

圖8 試驗(yàn)監(jiān)測點(diǎn)布置圖

3 鋼拱架有限元分析

3.1 鋼拱架有限元模型

利用有限元軟件Midas/Civil 對龍江渡大橋的鋼拱架進(jìn)行計(jì)算分析。拱架各節(jié)段采用梁單元進(jìn)行模擬，拱架各個(gè)節(jié)段上下弦結(jié)點(diǎn)的連接方式為鉸接，有限元模型(圖9)采用鉸結(jié)連接的處理方式，釋放連接節(jié)點(diǎn)的彎矩;拱架其余節(jié)點(diǎn)的連接均剛接;拱腳段鉸支座、上下弦桿的自由度均被約束。整個(gè)模型共有梁單元771 個(gè)，節(jié)點(diǎn)431 個(gè)。鋼拱架采用16Mn鋼，各桿件的彈性模量取206×109N/m2，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。

圖9 鋼拱架有限元模型

有限元模型靜載加載工況分6 個(gè)工況，其中工況1 為拱架自重，工況2 為拱肋拱腳混凝土澆筑，工況3 為調(diào)平支架及模板等重量，工況4 為拱架拱腳段預(yù)壓，工況5 為拱頂澆筑，工況6 為中間段澆筑。

3.2 鋼拱架靜力分析結(jié)果

1)在工況1(拱架自重)、工況2 ～6(拱肋混凝土澆筑各階段)的荷載作用下，工況6 澆筑拱肋第1環(huán)中間段混凝土的時(shí)候，拱架上弦最大壓應(yīng)力120.8 MPa，位于拱架拱頂上弦桿處;拱架下弦最大壓應(yīng)力98.9 MPa，位于拱架拱腳端下弦桿處。上述應(yīng)力均小于鋼材的允許應(yīng)力205 MPa，鋼拱架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

在11月1日的座談會(huì)上，習(xí)近平總書記提出了新的一道門——“卷簾門”。顧名思義就是，相對于“玻璃門”而言，則是看不見，開關(guān)靠遙控器，開多大就多大，看似有門，但卷簾只拉上了一部分，你得“卑躬屈膝”才可能進(jìn)去；

2)在工況1(拱架自重)、工況2 ～6(拱肋混凝土澆筑各階段)的荷載作用下，拱架下弦桿的最大撓度值均發(fā)生于拱頂，工況5 澆筑拱頂混凝土?xí)r，拱頂豎向下?lián)献畲?，其值?0 mm。由此可見，在澆筑拱頂段混凝土?xí)r，拱架的變形最為不利。

3)對拱架進(jìn)行穩(wěn)定分析時(shí)，按照第一類穩(wěn)定問題進(jìn)行特征值穩(wěn)定分析。具體結(jié)果如下:在自重與施工荷載共同作用下，第1 階失穩(wěn)模態(tài)為拱架的橫向?qū)ΨQ失穩(wěn)，對應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)為6.135;第2 階失穩(wěn)模態(tài)為拱架的豎向反對稱失穩(wěn)，對應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)為6.632。拱架第1 階失穩(wěn)模態(tài)對應(yīng)的穩(wěn)定系數(shù)6.135 滿足拱橋橫向穩(wěn)定安全系數(shù)大于4 ～5 的要求。因此，在自重與施工荷載作用下，拱架的穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

通過上述分析得出，龍江渡大橋鋼拱架的整體強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性能夠滿足拱肋混凝土澆筑施工的受力、變形和穩(wěn)定要求。

4 預(yù)壓試驗(yàn)結(jié)果分析

在加載過程中，將不同預(yù)壓荷載下鋼拱架產(chǎn)生的實(shí)測撓度與理論撓度進(jìn)行比較，如圖10 ～圖12所示。從圖中可以得出，撓度的實(shí)測值與理論計(jì)算值吻合較好，表明鋼拱架有限元模型的可靠性，能很好的反映貝雷鋼拱架的實(shí)際受力狀況。比較80%與110%實(shí)測撓度值，發(fā)現(xiàn)各截面撓度的變化值較小而且趨勢一致，表明按照這種工序來澆筑拱肋混凝土?xí)r，鋼拱架的變形均處在線彈性范圍內(nèi)，拱肋澆筑是可靠的。

圖10 60%荷載預(yù)壓實(shí)測撓度與理論撓度對比圖

圖11 80%荷載預(yù)壓實(shí)測撓度與理論撓度對比圖

圖12 110%荷載預(yù)壓實(shí)測撓度與理論撓度對比圖

卸載完成后，整理加載和卸載過程中測得的數(shù)據(jù)，計(jì)算得出鋼拱架的彈性變形和非彈性變形，為預(yù)拱度的設(shè)置提供數(shù)據(jù)?？偝两盗?加載穩(wěn)定后測得數(shù)據(jù)－空載狀態(tài)下測得數(shù)據(jù);彈性變形量=完全卸載后測量數(shù)據(jù)－加載穩(wěn)定后測量數(shù)據(jù);非彈性變形=總沉降量－彈性變形量［9］。數(shù)據(jù)整理結(jié)果得到各截面的彈性和非彈性變形值，如圖13 所示。

圖13 鋼拱架預(yù)壓變形曲線圖

5 預(yù)拱度的設(shè)置

鋼拱架的施工預(yù)拱度包括拱架的彈性變形和非彈性變形以及混凝土收縮徐變等引起的變形:

1)拱架承受施工荷載引起的彈性變形δ1;

2)受載后由于桿件接頭的擠壓和卸落設(shè)備壓縮而產(chǎn)生的非彈性變形δ2;

3)由施工圖設(shè)計(jì)文件提供的因恒載、主拱圈溫度變化、混凝土收縮徐變以及拱座水平位移引起的變形δ3。

通過對龍江渡大橋預(yù)壓試驗(yàn)和有限元模型的計(jì)算分析，最終得到了較為合理的鋼拱架預(yù)拱度的留設(shè)值，如表1 所示。其中，X 表示截面距拱頂?shù)乃骄嚯x。

表1 鋼拱架各截面預(yù)拱度的設(shè)置

6 結(jié)論

鋼拱架預(yù)壓是鋼筋混凝土拱橋現(xiàn)澆前的重要環(huán)節(jié)。水箱法預(yù)壓具有操作簡便、需要人工少、經(jīng)濟(jì)效益明顯、施工進(jìn)度快等特點(diǎn)。通過對龍江渡大橋鋼拱架在預(yù)壓試驗(yàn)過程中的有限元分析，以及對現(xiàn)場預(yù)壓實(shí)測數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，可以得到如下結(jié)論:

1)拱架復(fù)核驗(yàn)算表明，本橋所采用的懸拼貝雷拱架強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均能滿足龍江渡大橋主拱肋現(xiàn)澆施工要求。

2)撓度的實(shí)測值與理論計(jì)算值吻合較好，表明鋼拱架的變形處在彈性范圍內(nèi)，鋼拱架的承載能力能夠滿足拱肋混凝土的澆筑。

3)根據(jù)預(yù)壓試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)設(shè)置了合理的預(yù)拱度，對有支架施工的拱肋底板標(biāo)高的控制有一定指導(dǎo)意義，使拱橋成橋后的線形平順、美觀，且符合設(shè)計(jì)要求。

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