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(xí)　董創(chuàng)文

摘要：

針對(duì)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(jié)構(gòu)應(yīng)力的現(xiàn)狀，以貴州甘河溝大橋主橋?yàn)楣こ瘫尘埃Y(jié)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(duì)拱架現(xiàn)澆拱圈混凝土的施工全過(guò)程進(jìn)行仿真分析，綜合考慮拱架變形和結(jié)構(gòu)應(yīng)力，通過(guò)多方案計(jì)算對(duì)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?yàn)橄裙澳_段再拱頂段最后中間段；第2環(huán)混凝土澆筑順序?yàn)橄裙绊敹卧俟澳_段最后中間段；第3環(huán)混凝土拱頂、拱腳和中間段均再細(xì)分成2部分，澆筑順序?yàn)橄纫来问┕す绊敹巍⒅虚g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?yàn)閺墓绊斚蚬澳_依次施工。拱架變形和結(jié)構(gòu)應(yīng)力的實(shí)測(cè)值與理論值總體上吻合較好，表明該程序與方法合理可靠。

關(guān)鍵詞：

橋梁工程；箱型拱橋；拱架現(xiàn)澆；施工程序

中圖分類號(hào)：U448.22

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16744764（2016）06008308

Abstract：

At present， the arch deformation is considered mainly when the engineers determinate the construction procedure for the castinplace 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.

Keywords：

bridge engineering； box arch bridge； castinplace arch； construction procedure

混凝土拱橋結(jié)構(gòu)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(gè)難點(diǎn)在于如何合理地劃分拱圈混凝土的澆筑長(zhǎng)度和澆筑順序[1]，以控制拱架發(fā)生過(guò)大變形，防止拱圈混凝土因拱架變形過(guò)大而開(kāi)裂，并減少前期拱圈混凝土所受拉應(yīng)力。為了保證拱圈混凝土和拱上建筑施工全過(guò)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(zhǎng)度。

中國(guó)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(shù)人員對(duì)拱架現(xiàn)澆混凝土拱圈的分環(huán)分段澆筑程序與方法進(jìn)行了相關(guān)研究，蔣云峰等[5]和劉鵬等[6]研究了混凝土現(xiàn)澆時(shí)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(zhǎng)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(guò)程中混凝土應(yīng)力變化所帶來(lái)的影響。李傳習(xí)等[8]通過(guò)不同施工方案的有限元數(shù)值計(jì)算與對(duì)比研究獲得了低扣塔架設(shè)鋼管混凝土拱橋的合理施工程序與方法。其他國(guó)家著重于進(jìn)行拱橋新工藝及新型組合結(jié)構(gòu)的探索，較少研究拱架現(xiàn)澆拱橋的施工[915]。筆者結(jié)合甘河溝大橋?qū)嶋H工程，利用Midas/Civil軟件對(duì)主拱圈縱向澆筑順序展開(kāi)研究，對(duì)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?qū)凹茏冃渭跋绕谛纬晒叭?yīng)力所產(chǎn)生的影響，得出每一環(huán)主拱圈澆筑的最優(yōu)順序。endprint

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(zhǎng)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?yàn)榛炷料湫凸皹颍皇缚绫萬(wàn)0/L0=1/5，拱軸系數(shù)m=1.756；大橋分為左右兩幅，每幅橋面寬23.0 m，設(shè)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。

2分環(huán)分段方案

甘河溝大橋拱圈混凝土澆筑過(guò)程按豎向分環(huán)、縱向分段的方式進(jìn)行，并遵循縱向和橫向?qū)ΨQ、均衡的原則進(jìn)行施工[16]。按照設(shè)計(jì)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(dāng)?shù)?環(huán)混凝土達(dá)到90%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，方可進(jìn)行第2環(huán)混凝土澆筑，第2環(huán)混凝土達(dá)到90%后方可進(jìn)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。

3有限元計(jì)算模型

采用Midas/Civil軟件對(duì)甘河溝大橋進(jìn)行有限元模擬計(jì)算，拱圈和拱架的結(jié)構(gòu)離散如圖6所示，共有9 246個(gè)單元，9 847個(gè)節(jié)點(diǎn)，3 645個(gè)彈性連接。拱架和拱圈均采用梁?jiǎn)卧M，拱圈底板和拱架之間采用彈性連接中的單向受壓?jiǎn)卧B接，并釋放單元兩端彎矩，通過(guò)設(shè)定受壓剛度值來(lái)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(xiàng)進(jìn)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(duì)鋼拱架的邊界條件進(jìn)行約束，按無(wú)鉸拱對(duì)底板、腹板和頂板進(jìn)行約束。按照上述4種縱向澆筑方案（見(jiàn)表1）分別建立考慮施工全過(guò)程的有限元模型。

4有限元結(jié)果分析

4.1第1環(huán)混凝土澆筑

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

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(yīng)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(yīng)力較大，其值達(dá)到了-3.5 MPa，相對(duì)而言，其他澆筑方案拉應(yīng)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(yīng)力大小和施工方便，采用方案4進(jìn)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?xí)r，第2環(huán)混凝土已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)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(dān)第3環(huán)混凝土的重量，即此時(shí)的承重結(jié)構(gòu)為拱架和第1、2環(huán)混凝土。在澆筑第3環(huán)混凝土過(guò)程中同樣需考慮拱架變形和前期形成拱圈的應(yīng)力。第3環(huán)混凝土不同澆筑方案的拱架拱頂變形和結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)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(yīng)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(yīng)力最大，達(dá)到了-5.4 MPa，而方案4拉應(yīng)力最小為-1.7 MPa。為進(jìn)一步減少拱圈的拉應(yīng)力，降低拱圈混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，增加第3環(huán)混凝土澆筑的分段數(shù)如圖10所示，并對(duì)其澆筑順序進(jìn)行了研究，拱圈腹板應(yīng)力結(jié)果如表4所示。

4.5溫度作用影響分析

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

5主拱圈澆筑過(guò)程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

在每一環(huán)混凝土澆筑完成后采用全站儀對(duì)鋼拱架產(chǎn)生變形進(jìn)行實(shí)測(cè)，將實(shí)測(cè)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(guò)程中預(yù)埋的振弦式應(yīng)變計(jì)對(duì)底板混凝土相應(yīng)位置的應(yīng)力進(jìn)行實(shí)測(cè)，將實(shí)測(cè)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(yīng)力大部分測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與理論值總體趨勢(shì)和走向一致（個(gè)別測(cè)點(diǎn)由于測(cè)試和計(jì)算誤差的存在，有一定的差別），表明了上述有限元計(jì)算與所確定的程序與方法的可靠性。

6結(jié)論

采用Midas/Civil有限元軟件建立計(jì)算模型，對(duì)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(jìn)行模擬和對(duì)比分析，確定了合理施工程序與方法，可得到如下結(jié)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?yàn)椋汗澳_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(yīng)力的影響，第2環(huán)混凝土澆筑順序?yàn)椋汗绊敹巍澳_段→中間段；第3環(huán)混凝土澆筑順序?yàn)椋汗绊敹?→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(yīng)力，降低混凝土裂縫出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，拱上建筑最優(yōu)澆筑順序?yàn)椋汗绊敗澳_。

4）拱圈施工過(guò)程中拱架變形及底板應(yīng)力的實(shí)測(cè)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。endprint

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（編輯胡英奎）endprint