輕型鋼拱架現(xiàn)澆箱型拱橋有限元分析

劉鑫良

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074)

1 工程概況

設(shè)計基準(zhǔn)期：100年；設(shè)計荷載：公路-Ⅰ級；道路等級：二級公路；橋面寬度：0.5m（防撞護(hù)欄）+8m（車行道）+0.5m（防撞護(hù)欄）；設(shè)計行車速度60Km/h。橋梁所處地區(qū)地震動峰值為0.05g，地震烈度6度。上部結(jié)構(gòu)主跨采用65米、矢跨比f0/L0=1/4.96的等截面懸鏈線鋼筋混凝土箱形拱橋，主拱圈厚1.7米，拱軸系數(shù)為1.523。下部采用C25片石混凝土，下部采用明挖擴(kuò)大巖石基礎(chǔ)，基礎(chǔ)嵌入中風(fēng)化基巖不小于1米。主拱圈主及拱上排架采用現(xiàn)澆施工，空心板采用預(yù)制安裝。

2 拱橋施工設(shè)計

2.1 主拱圈施工設(shè)計

澆筑主拱圈混凝土前，應(yīng)對拱座面的混凝土結(jié)合面按施工規(guī)范鑿毛洗凈，確認(rèn)橫墻預(yù)埋筋安裝無誤后方可澆筑拱圈混凝土。拱圈混凝土施工遵循"分環(huán)分段灌注順序應(yīng)使支架在混凝土灌注過程中發(fā)生的變形幅度最小"的施工原則，確定主拱圈澆筑順序，拱上澆筑的原則是"均衡、對稱"。拱圈要求分 5 段對稱澆筑，在縱橫向都必須對稱澆筑。主拱圈混凝土采用分環(huán)、分段的方法進(jìn)行施工，即：整個拱圈根據(jù)支架的結(jié)構(gòu)體系分為 3個澆筑環(huán)；即底板環(huán)、腹板環(huán)及頂板環(huán)，每環(huán)澆筑時再分5段對應(yīng)水平長度分別均為19.6m，先對稱澆筑拱腳段，再從跨中段向兩拱腳方向澆筑，拱頂段澆筑完后，再澆筑 1/4段。段與段之間預(yù)設(shè)間隔槽(頂板不設(shè)間隔槽)，間隔槽寬1.5m，根據(jù)監(jiān)控單位的施工加載計算，腹板和底板環(huán)兩環(huán)同時合龍，使拱圈形成一個開口箱形結(jié)構(gòu)，這樣對支架和結(jié)構(gòu)比較安全，然后再進(jìn)行頂板環(huán)的分段澆筑及合龍。為了避免支架局部異常變形，采取拱頂兩側(cè)對稱的方法施工。拱圈現(xiàn)澆按三環(huán)進(jìn)行，要求第一環(huán)混凝土強(qiáng)度達(dá)到 100%設(shè)計強(qiáng)度后方可澆筑第二環(huán)；第二環(huán)混凝土強(qiáng)度達(dá)到 90%的設(shè)計強(qiáng)度后方可澆筑第三環(huán)混凝土，每一環(huán)施工，均應(yīng)按縱向分段的原則進(jìn)行加載。加載應(yīng)注意縱橫向?qū)ΨQ、均勻。

2.2 輕型鋼拱架施工

由于拱橋的受力特點，拱橋最關(guān)鍵的部位在于主拱圈的施工，由于橋址，地質(zhì)等原因本橋主拱圈采用懸拼拱架施工。鋼拱架采用懸鏈線，兩拱腳鉸中心的跨徑L=6256.5cm，相應(yīng)矢高f=1267.46cm。鋼拱架不設(shè)預(yù)拱度時，拱架拱頂上緣至拱圈下緣之間預(yù)留11.5cm凈空，作為布置底模板、墊塊及調(diào)整拱圈高程用。鋼拱架包括基本節(jié)段和聯(lián)結(jié)系，拱架橫斷面由6道基本節(jié)段及5組聯(lián)結(jié)系組成。全橋共用10片拱腳節(jié)段、60片標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段、10片調(diào)節(jié)階段和5片拱頂節(jié)段。

3 計算結(jié)果

3.1 計算參數(shù)及加載程序

鋼拱架自重：約190t（包括基本節(jié)段及所有聯(lián)結(jié)系）；全橋模板及其墊塊重量：100t；全橋滿布其余施工荷載：50t；拱肋底板及下馬蹄混凝土重：450.7t；拱肋腹板及橫隔板混凝土重：341.6t；拱肋頂板及上馬蹄混凝土重：450.7t；鋼拱架均勻溫度：±15oC；風(fēng)荷載：取風(fēng)速20m／s的風(fēng)力值。

階段 1：鋼拱架成拱；階段 2：鋪設(shè)墊塊及模板；階段 3：施工滿布臨時荷載。當(dāng)拱圈進(jìn)行加載時，每階段荷載施加到鋼拱架的步驟與主拱圈澆注的順序一樣，分環(huán)分段進(jìn)行加載，即階段 4～階段 9：澆筑底板及下馬蹄混凝土；階段 10～階段 15：澆筑腹板混凝土；階段 11～階段 21：澆筑頂板及上馬蹄混凝土。

3.2 計算分析結(jié)果

利用有限元軟件Civil對扣掛系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗算，鋼拱架采用梁單位進(jìn)行模擬，拱架下弦桿件接頭釋放梁端彎矩，節(jié)點只能傳遞軸向力，不能傳遞彎矩；拱架上弦考慮到有對拉螺桿連接，接頭間無法自由轉(zhuǎn)動，考慮為剛接；拱腳采用鉸接約束；扣索與拱架扣點采用彈性連接來模擬扣索扣掛作用，采用只受拉單位連接。鋼絲繩彈性模量取為210Gpa，根據(jù)拱架及扣塔實際布置建模計算，拱架自重由軟件自動生成。計算拱架結(jié)構(gòu)。拱架最大位移為5.2cm，拱架最大應(yīng)力為24Mpa，滿足設(shè)計及規(guī)范要求。第二道扣索索力最大，每道扣索索力為 158KN,采用φ30（6×37+1）的鋼絲繩，鋼絲繩抗拉索力為 1123KN，扣索安全系數(shù)為：n=529/158=3.34＞3，滿足施工要求。

為準(zhǔn)確掌握可調(diào)式組合拱架受荷載及溫度等因素影響下的應(yīng)力、應(yīng)變和位移情況，確保安全順利地澆筑拱圈，在鋪設(shè)拱圈底模前對拱架進(jìn)行加載試壓，預(yù)壓荷載為主拱圈底板及腹板混凝土自重的1.2倍考慮施加荷載，試壓加載程序按設(shè)計加載程序相同進(jìn)行。預(yù)壓過程拱架最大位移為4.2cm，最大應(yīng)力為148Mpa，一岸單榀拱架豎向最大反力為52.7t，橫向最大反力為76.1t。

對鋼拱架強(qiáng)度及穩(wěn)定計算，得出上弦桿最大應(yīng)力 173MPa、下弦桿軸壓最大應(yīng)力 172MPa、斜腹桿軸壓最大應(yīng)力 119MPa，弦桿及腹桿的應(yīng)力均小于軸壓穩(wěn)定容許應(yīng)力，滿足規(guī)范要求。均勻溫度產(chǎn)生的應(yīng)力很小，均勻升溫：最大拉應(yīng)力為1.6MPa，最大壓應(yīng)力-1.8MPa；均勻降溫：最大壓應(yīng)力為-2MPa，最大拉應(yīng)力2.3MPa；相應(yīng)于溫度1.25 的提高幅度，溫度應(yīng)力很小，因此考慮溫度效應(yīng)的荷載組合不控制拱架弦桿、腹桿設(shè)計。

整體性驗算：扣掛階段鋼拱架失穩(wěn)首先發(fā)生為局部失穩(wěn)。合攏階段鋼拱架失穩(wěn)首先發(fā)生為面內(nèi)反對稱失穩(wěn)。開口箱澆筑過程中，最小穩(wěn)定安全系數(shù)14.2〉4，整體穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

這種鋼拱架相對于傳統(tǒng)的拱架而言，構(gòu)造簡單、受力清楚、拼裝方便，且可調(diào)整軸線，能完好的適應(yīng)各種跨徑的拱橋，發(fā)展?jié)摿薮?。本文利用某拱橋主拱圈采用拱架懸拼，對拱架進(jìn)行驗算，根據(jù)設(shè)計資料、參數(shù)進(jìn)行建模，對輕型鋼拱架扣掛、成拱、預(yù)壓等施工階段進(jìn)行計算分析，輕型鋼拱架均滿足使用要求。為以后此類鋼拱架的使用提供參考。

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