拱架現(xiàn)澆拱圈混凝土拱橋的合理施工程序與方法

張玉平，彭畢輝，李傳習，董創(chuàng)文

(長沙理工大學 土木與建筑學院，長沙 410114)

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拱架現(xiàn)澆拱圈混凝土拱橋的合理施工程序與方法

張玉平，彭畢輝，李傳習，董創(chuàng)文

(長沙理工大學 土木與建筑學院，長沙 410114)

針對目前確定拱架現(xiàn)澆拱圈混凝土澆筑順序主要考慮拱架變形而未考慮結構應力的現(xiàn)狀，以貴州甘河溝大橋主橋為工程背景，結合其原施工方案初步確定了分環(huán)分段位置，利用MIDAS軟件對拱架現(xiàn)澆拱圈混凝土的施工全過程進行仿真分析，綜合考慮拱架變形和結構應力，通過多方案計算對比確定了合理的最優(yōu)澆筑方案：第1環(huán)混凝土澆筑順序為先拱腳段再拱頂段最后中間段；第2環(huán)混凝土澆筑順序為先拱頂段再拱腳段最后中間段；第3環(huán)混凝土拱頂、拱腳和中間段均再細分成2部分，澆筑順序為先依次施工拱頂段、中間段和拱腳段第1部分，而后再依次施工拱頂段、拱腳段和中間段第2部分；拱上建筑澆筑順序為從拱頂向拱腳依次施工。拱架變形和結構應力的實測值與理論值總體上吻合較好，表明該程序與方法合理可靠。

橋梁工程；箱型拱橋；拱架現(xiàn)澆；施工程序

混凝土拱橋結構因性能優(yōu)越、跨越能力大、耐久性好且外形優(yōu)美而倍受工程界青睞。拱架法是混凝土拱橋和石拱橋常用的一種施工方法。拱架法施工拱橋的一個難點在于如何合理地劃分拱圈混凝土的澆筑長度和澆筑順序[1]，以控制拱架發(fā)生過大變形，防止拱圈混凝土因拱架變形過大而開裂，并減少前期拱圈混凝土所受拉應力。為了保證拱圈混凝土和拱上建筑施工全過程中拱架與拱圈的變形和受力均滿足要求，必須先確定合理的澆筑順序和澆筑長度。

中國多座混凝土拱橋采用了分環(huán)分段的拱架施工方法，如：打黑渡怒江大橋[2]、丹河大橋[3]、官地永久交通大橋[4]等。技術人員對拱架現(xiàn)澆混凝土拱圈的分環(huán)分段澆筑程序與方法進行了相關研究，蔣云峰等[5]和劉鵬等[6]研究了混凝土現(xiàn)澆時拱架與混凝土的聯(lián)合作用，周倩等[7]研究了混凝土拱圈的澆筑長度。但以上研究主要以拱架變形為控制要素，未考慮主拱圈澆筑過程中混凝土應力變化所帶來的影響。李傳習等[8]通過不同施工方案的有限元數值計算與對比研究獲得了低扣塔架設鋼管混凝土拱橋的合理施工程序與方法。其他國家著重于進行拱橋新工藝及新型組合結構的探索，較少研究拱架現(xiàn)澆拱橋的施工[9-15]。筆者結合甘河溝大橋實際工程，利用Midas/Civil軟件對主拱圈縱向澆筑順序展開研究，對比分析拱圈分環(huán)分段施工中每一環(huán)拱圈不同的澆筑順序對拱架變形及先期形成拱圈應力所產生的影響，得出每一環(huán)主拱圈澆筑的最優(yōu)順序。

1 工程概況

甘河溝大橋位于貴州省畢節(jié)市雙山新區(qū)梨新大道上，跨越甘河溝河谷。甘河溝大橋全長320 m，橋跨布置為3×30 m箱梁+125 m箱型拱橋+3×30 m箱梁，其中，主橋為混凝土箱型拱橋；矢跨比f0/L0=1/5，拱軸系數m=1.756；大橋分為左右兩幅，每幅橋面寬23.0 m，設有1.6%縱坡和1.5%橫坡。主拱圈拱箱為單箱4室，截面高2.2 m、寬15.6 m。甘河溝大橋采用懸拼鋼拱架現(xiàn)澆混凝土的施工方法。甘河溝大橋主橋立面總體布置如圖1所示，主拱圈拱箱和鋼拱架橫向布置如圖2所示。

圖1 甘河溝大橋主橋立面總體布置圖(單位：cm)Fig.1 Schematic diagram of the main bridge of Gan Hegou Bridge (unit:

圖2 鋼拱架橫向布置圖 (單位:cm)Fig.2 Steel arch horizontal layout (unit:

2 分環(huán)分段方案

甘河溝大橋拱圈混凝土澆筑過程按豎向分環(huán)、縱向分段的方式進行，并遵循縱向和橫向對稱、均衡的原則進行施工[16]。按照設計要求，主拱圈豎向共分為3環(huán)，第1環(huán)為底板和下馬蹄部分；第2環(huán)為腹板和橫隔板部分；第3環(huán)為頂板和上馬蹄部分，分環(huán)位置如圖3所示。當第1環(huán)混凝土達到90%設計強度后，方可進行第2環(huán)混凝土澆筑，第2環(huán)混凝土達到90%后方可進行第3環(huán)混凝土澆筑。主拱圈縱向分為5段，分段位置分別位于排架2、4、7、9，分段位置如圖4所示。

圖3 拱圈混凝土分環(huán)澆筑示意圖Fig.3 Schematic diagram of the arch

鋼拱架拱頂截面變形顯著，以鋼拱架拱頂截面變形為分析對象，通過分析拱架跨中截面的撓度影響線[17]，可以確定混凝土澆筑過程中拱頂撓度的變化。從圖5中的拱頂撓度影響線可以看出，因拱腳區(qū)段為正撓度區(qū)域，拱圈混凝土由拱腳向拱頂澆筑時，澆筑該區(qū)域混凝土將使拱架拱頂向上變形。隨著混凝土繼續(xù)澆筑，混凝土進入負撓度區(qū)域，拱架拱頂開始向下變形。在混凝土澆筑過程中應使拱頂豎向位置變化和結構應力盡可能小，為此，每一環(huán)拱圈混凝土初步擬定了4種可能的澆筑方案，如表1所示，表中字母所表示區(qū)段見圖4。

圖4 拱圈混凝土分段澆筑示意圖Fig.4 Schematic diagram of the arch

圖5中，x1、x2分別為沿跨徑方向拱圈混凝土澆筑分段點位置；x0為拱頂撓度影響線零點位置；撓度向上為正撓度。

圖5 拱頂撓度影響線Fig.

Table 1 Vertical pouring scheme of Concrete arch

環(huán)數方案1方案2方案3方案41A→C→BB→A→CB→C→AC→A→B2D→F→EE→D→FE→F→DF→D→E3G→I→HH→G→IH→I→GI→G→H

3 有限元計算模型

采用Midas/Civil軟件對甘河溝大橋進行有限元模擬計算，拱圈和拱架的結構離散如圖6所示，共有9 246個單元，9 847個節(jié)點，3 645個彈性連接。拱架和拱圈均采用梁單元模擬，拱圈底板和拱架之間采用彈性連接中的單向受壓單元連接，并釋放單元兩端彎矩，通過設定受壓剛度值來模擬模板受力；底板、腹板、頂板之間采用彈性連接中的剛性選項進行模擬；用釋放單元兩端彎矩的方式模擬拱架下弦的鉸接方式；按兩鉸拱對鋼拱架的邊界條件進行約束，按無鉸拱對底板、腹板和頂板進行約束。按照上述4種縱向澆筑方案(見表1)分別建立考慮施工全過程的有限元模型。

圖6 拱架和拱圈的有限元模型單元離散圖Fig.6 Element discrete graph of finite element

其中，混凝土的強度隨時間增長，考慮混凝土強度的增長對混凝土結構的計算分析非常重要[18]，尤其對采用分環(huán)分段施工的橋梁而言。此外，有限元模型也基于以下假設：施工過程中拱圈與拱架不發(fā)生相對滑移。

在無試驗數據的情況下，采用CEB-FIP規(guī)范計算混凝土的彈性模量，混凝土彈性模量隨時間變化的計算式為

(1)

Eci=Eco[fcm/fcmo]1/3

(2)

且：Eco=2.15×104MPa，fcmo=10 MPa。

(3)

式中：βcc(t)是強度發(fā)展速度，s是水泥種類常數。

甘河溝大橋主橋拱圈全部采用C50的混凝土，fcm=50 MPa，水泥采用的是普通硅酸鹽水泥，s取0.25。

4 有限元結果分析

4.1 第1環(huán)混凝土澆筑

第1環(huán)混凝土澆筑過程中，由于混凝土尚未凝固，強度和剛度都很小，無法承擔自重，其重量將全部由拱架承擔。因此，在澆筑第1環(huán)混凝土過程中主要考查鋼拱架變形，根據建立的有限元模型對4種不同澆筑方案進行對比分析，其結果如圖7所示。

圖7 第1環(huán)混凝土不同澆筑順序對拱架拱頂變形的影響Fig.7 The effect of the first ring concrete pouring in

從圖7可以看出，在4種方案中，方案1和方案2的拱架拱頂變形相對較小。方案2首先澆筑中間段混凝土，由于拱腳段坡度較大，混凝土容易流向拱腳位置，不利于實際施工。方案1首先澆筑拱腳段混凝土，有利于施工。因此，可確定采用方案1進行第1環(huán)混凝土的澆筑。

4.2 第2環(huán)混凝土澆筑

在澆筑第2環(huán)混凝土時，第1環(huán)混凝土已經達到設計強度的90%以上，可以和拱架一起共同承擔第2環(huán)混凝土的重量，即此時的承重結構為拱架和第1環(huán)混凝土。在澆筑第2環(huán)混凝土的過程中不僅要分析拱架的變形還要考慮第1環(huán)混凝土的應力大小，以防混凝土開裂。第2環(huán)混凝土不同澆筑方案的拱架拱頂變形和結構應力結果如圖8和表2所示。

圖8 第2環(huán)混凝土不同澆筑順序對拱架拱頂變形的影響Fig.8 The effect of the second ring concrete pouring in

Table 2 Contrast of extreme adverse stress on slabs in arch

拱圈腹板澆注方案應力值/MPa對應時刻對應位置方案1-3．5拱腳處腹板澆注完成拱腳附近上緣，距拱腳2．43m方案2-1．1拱頂處腹板澆注完成拱腳附近下緣，距拱腳2．43m方案3-1．1拱頂處腹板澆注完成拱腳附近下緣，距拱腳2．43m方案4-1．1拱頂處腹板澆注完成拱腳附近下緣，距拱腳2．43m

注：拉應力為負，以下同。

由圖8和表2可看出第2環(huán)混凝土不同施工方案下的拱架變形和第1環(huán)混凝土應力大小。方案1雖然拱架變形不大，但是其前期形成的混凝土拉應力較大，其值達到了-3.5 MPa，相對而言，其他澆筑方案拉應力大小均為-1.1 MPa，減少了68%。綜合考慮拱架變形、第1環(huán)混凝土拉應力大小和施工方便，采用方案4進行第2環(huán)混凝土的澆筑。

4.3 第3環(huán)混凝土澆筑

在澆筑第3環(huán)混凝土時，第2環(huán)混凝土已經達到設計強度的90%以上，可以和第1環(huán)混凝土以及拱架一起共同承擔第3環(huán)混凝土的重量，即此時的承重結構為拱架和第1、2環(huán)混凝土。在澆筑第3環(huán)混凝土過程中同樣需考慮拱架變形和前期形成拱圈的應力。第3環(huán)混凝土不同澆筑方案的拱架拱頂變形和結構應力結果如圖9和表3所示。

由圖9和表3可看出第3環(huán)混凝土不同施工方案下的拱架變形和第2環(huán)混凝土應力大小。方案1雖然拱架變形不大，但是其前期形成的混凝土拉應力最大，達到了-5.4 MPa，而方案4拉應力最小為-1.7 MPa。為進一步減少拱圈的拉應力，降低拱圈混凝土開裂風險，增加第3環(huán)混凝土澆筑的分段數如圖10所示，并對其澆筑順序進行了研究，拱圈腹板應力結果如表4所示。

圖9 第3環(huán)混凝土不同澆筑順序對拱架拱頂變形的影響Fig.9 The effect of the third loop concrete casting in different

Table 3 Contrast of extreme adverse stress on slabs in arch web

拱圈頂板澆注順序應力值/MPa對應時刻對應位置方案1-5．4拱腳處頂板澆注完成拱腳附近上緣，距拱腳0．73m方案2-1．81/4頂板澆注完成拱腳附近上緣，距拱腳0．73m方案3-1．8拱頂處頂板澆注完成拱腳附近上緣，距拱腳0．73m方案4-1．7拱頂處頂板澆注完成距拱腳26．03m，約1/5倍跨徑

圖10 第3環(huán)混凝土澆筑節(jié)段平面圖(單位：cm)Fig.10 The plane graph of the third loop concrete casting (Unit:

Table 4 Contrast of extreme adverse stresson slabs in arch web

拱圈頂板澆注順序應力值/MPa對應時刻對應位置⑥⑤④③②①-1．9④處頂板澆注完成排架2、9下方④③⑥⑤①②-1．8⑤處頂板澆注完成拱腳附近上緣，距拱腳0．73m⑥④②⑤③①-1．4③處頂板澆注完成拱腳附近上緣，距拱腳0．73m⑥③①⑤②④-1．2④處頂板澆注完成拱腳附近上緣，距拱腳0．73m

注：⑥⑤④③②①表示先澆筑圖10中⑥所分區(qū)段，再依次澆筑⑤、④、③、②、①所標注區(qū)段，以此類推。

從表4可見，較為合理順序為⑥③①⑤②④，最不利應力出現(xiàn)在所有拱圈頂板混凝土澆注完成時，位置為拱腳附近，數值為1.2 MPa。

4.4 拱上建筑施工

拱上排架及空心板的施工順序也會對主拱圈受力產生一定影響，為了減小拱圈的拉應力，對拱上排架和空心板的施工順序進行對比分析，其結果如表5所示。由表5可知，當拱上排架及空心板由拱頂向拱腳澆筑時，拱圈頂板的拉應力最小。

表5 拱圈頂板不利應力極值對比

Table 5 Contrast of extreme adverse stress on slabs in arch roof

排架澆注順序應力值/MPa對應時刻對應位置拱腳→拱頂-2．6排架2，9立柱完成梨樹坪岸拱腳上緣拱頂→拱腳-0．7排架4，7立柱完成距拱腳24．83m，約1/5倍跨徑

注:拉應力為負。

4.5 溫度作用影響分析

橋涵設計中通常將溫度作用分成均勻溫度和梯度溫度兩種進行考慮，均勻溫度變化相對較簡單且早已被結構設計所考慮，而非線性的梯度溫度相對較復雜且往往是設計計算的控制因素。目前，日照豎向溫度梯度的確定主要是依據《公路橋涵設計通用規(guī)范》，鋼筋混凝土箱形拱橋在施工過程中受到日照溫度的影響，其截面應力將會產生變化，為了研究日照梯度溫度對結構應力作用的大小，計算規(guī)范規(guī)定的梯度溫度作用下[19]結構的最大應力，其結果如圖11所示。由圖11可知，在主拱圈澆筑過程中，由于日照溫度作用產生的每一環(huán)拱圈混凝土最大拉、壓應力相差不大，其中最大拉應力為0.79 MPa，最大壓應力為1.80 MPa，溫度應力對結構造成的影響不容忽視，主拱圈結構應該選取在凌晨溫度變化最小的時段進行合攏澆筑。

圖11 主拱圈澆筑過程截面梯度溫度最大溫度應力值Fig.11 The maximum values of temperature stress by

5 主拱圈澆筑過程實測數據分析

在每一環(huán)混凝土澆筑完成后采用全站儀對鋼拱架產生變形進行實測，將實測值與理論值比較，如圖11～13所示；在第2環(huán)和第3環(huán)混凝土澆筑完成后采用施工過程中預埋的振弦式應變計對底板混凝土相應位置的應力進行實測，將實測值與理論值比較，如圖14～15所示。從圖11～15中可得出，拱架拱頂變形和底板應力大部分測點的實測值與理論值總體趨勢和走向一致(個別測點由于測試和計算誤差的存在，有一定的差別)，表明了上述有限元計算與所確定的程序與方法的可靠性。

圖12 第1環(huán)混凝土澆筑拱架拱頂變形實測值與理論值對比Fig.12 The comparison between measured value and theoretical

圖13 第2環(huán)混凝土澆筑拱架拱頂變形實測值與理論值對比Fig.13 The comparison between measured value and theoretical value of arch deformation on the second ring concrete pouring

圖14 第3環(huán)混凝土澆筑拱架變形實測值與理論值對比Fig.14 The comparison between measured value and theoretical value of arch deformation on the third ring concrete pouring

圖15 第2環(huán)混凝土澆筑后底板應力實測值與理論值對比Fig.15 The comparison between measured value and theoretical value of floor stress after

圖16 第3環(huán)混凝土澆筑后底板應力實測值與理論值對比Fig.16 The comparison between measured value and theoretical

6 結論

采用Midas/Civil有限元軟件建立計算模型，對甘河溝大橋主橋相同分環(huán)方法、不同分段澆筑順序的混凝土拱圈受力及拱架變形分別進行模擬和對比分析，確定了合理施工程序與方法，可得到如下結論:

1)拱圈第1環(huán)混凝土的施工只需考慮鋼拱架變形的影響，最優(yōu)的澆筑順序為：拱腳段→拱頂段→中間段。

2)拱圈第2環(huán)和第3環(huán)混凝土的施工需綜合考慮鋼拱架變形及前期成形拱圈混凝土應力的影響，第2環(huán)混凝土澆筑順序為：拱頂段→拱腳段→中間段；第3環(huán)混凝土澆筑順序為：拱頂段1→中間段1→拱腳段1→拱頂段2→拱腳段2→中間段2。

3)選擇合理的拱上排架及空心板施工順序能有效減少拱圈拉應力，降低混凝土裂縫出現(xiàn)的風險，拱上建筑最優(yōu)澆筑順序為：拱頂→拱腳。

4)拱圈施工過程中拱架變形及底板應力的實測值與理論值總體上吻合較好，表明所確定的施工程序與方法合理可靠。

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(編輯 胡英奎)

Reasonable construction procedure and method of the cast-in-place RC arch rib with arch centering

ZhangYuping,PengBihui,LiChuanxi,DongChuangwen

(School of Civil Engineering and Architecture, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, P. R. China)

At present， the arch deformation is considered mainly when the engineers determinate the construction procedure for the cast-in-place RC arch with arch centering, but the arch stress is often ignored. Gan Hegou Bridge in Guizhou province is select as the case study. The positions of dividing rings sections are defined preliminarily according to original construction scheme. The simulation analysis considering the whole construction process is done by the use of MIDAS software. After the arch deformation and arch stress of various schemes are calculated and compared, reasonable construction procedure is obtained. The pouring sequence of the first arch ring is the first springer, the second vault and the last middle section. The pouring sequence of the second arch ring is the first vault, the second springer and the last middle section. The springer、vault and middle section of the third arch ring are divided into the two sections. The pouring sequence of the third arch ring are the first section of the vault、springer and middle section, then the section of the vault、springer and middle section. The pouring sequence of spandrel construction is the first vault, the second springer. The measured values of the arch deformation and stress are agreement with the calculated values. The results show the procedure and method are reasonable and reliable.

bridge engineering; box arch bridge; cast-in-place arch; construction procedure

2016-04-13

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973項目)(2015CB057702)；國家自然科學基金(51378080)；長沙理工大學土木工程優(yōu)勢特色重點學科創(chuàng)新性項目(15ZDXK02)

張玉平(1976-)，男，博士，副教授，主要從事從事橋梁施工控制和橋梁結構分析理論研究, (E-mail)zyp5032@163.com。

Foundation item：Key Basic Research Development Program of China (973 Program)(No.2015CB057702)；National Natural Science Foundation of China (No.51378080)；Changsha University of Science and Technology Advantage and Characteristic Civil Engineering Key Subjects (No.15ZDXK02)

10.11835/j.issn.1674-4764.2016.06.011

U448.22

A

1674-4764(2016)06-0083-08

Received:2016-04-13

Author brief：Zhang Yuping(1976-), PhD, associate professor, main research interests: bridge construction control and bridge structure analysis, ( E-mail)zyp5032@163.com.