大跨度轉(zhuǎn)體施工工藝拱橋施工階段穩(wěn)定性問(wèn)題研究

郝 景 宏

(恩施州交通規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，湖北 恩施 445000)

山區(qū)溝谷常具有典型的“V”字型地貌，材料運(yùn)輸、大型設(shè)備進(jìn)場(chǎng)等問(wèn)題通常成為橋梁設(shè)計(jì)的制約因素，同時(shí)，人工和材料耗費(fèi)、施工安裝和臨時(shí)工程等費(fèi)用通常較高。為此，國(guó)內(nèi)一些知名橋梁專(zhuān)家，在此特殊地形地貌施工條件下采用轉(zhuǎn)體施工工藝作出了一些較有成績(jī)的研究[1,2]。橋梁轉(zhuǎn)體施工是指將橋梁結(jié)構(gòu)在非設(shè)計(jì)軸線(xiàn)位置制作成型，通過(guò)下盤(pán)球鉸轉(zhuǎn)體就位的一種施工工藝。根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，可分為水平轉(zhuǎn)體施工法、豎向轉(zhuǎn)體施工法以及平豎相結(jié)合施工法。根據(jù)是否采用平衡重配重，可分為有平衡重轉(zhuǎn)體施工法和無(wú)平衡重轉(zhuǎn)體施工法[3,4]。目前，采用最多的是有平衡重水平轉(zhuǎn)體施工法。采用有平衡重水平轉(zhuǎn)體施工工藝時(shí)，亟需解決的兩個(gè)重要問(wèn)題，其一是設(shè)計(jì)和施工階段偏心距的控制與糾偏[5]；其二是轉(zhuǎn)體階段的應(yīng)力計(jì)算和穩(wěn)定性分析。本文研究探討了三種不同跨徑上承式鋼筋混凝土箱型拱橋轉(zhuǎn)體階段的穩(wěn)定性問(wèn)題，建立了相應(yīng)的有限元模型并進(jìn)行對(duì)比分析，討論了寬跨比、截面高度等參數(shù)對(duì)穩(wěn)定安全系數(shù)的影響。

1 計(jì)算模型

分別建立了70 m,96 m和125 m三種跨徑組合有限元計(jì)算模型。表1給出了轉(zhuǎn)體階段拱圈的矢高、寬跨比、主拱圈截面高度等設(shè)計(jì)參數(shù)。

主要計(jì)算參數(shù)為：混凝土：重力密度γ=26.0 kN/m3，彈性模量Ec=3.45×104MPa。鋼絞線(xiàn)：彈性模量Ep=1.95×105MPa，松弛率ρ=0.035，松弛系數(shù)ζ=0.3。

表1 不同跨徑下的開(kāi)口箱轉(zhuǎn)體階段設(shè)計(jì)參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 失穩(wěn)模態(tài)結(jié)果及分析

表2給出了不同跨徑下開(kāi)口箱轉(zhuǎn)體階段穩(wěn)定性分析計(jì)算結(jié)果，圖1～圖6給出了不同跨徑下開(kāi)口箱轉(zhuǎn)體階段失穩(wěn)模態(tài)。

表2 開(kāi)口箱轉(zhuǎn)體階段穩(wěn)定性分析計(jì)算結(jié)果

由70 m和96 m跨度橋梁轉(zhuǎn)體階段穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，可以看出：前者寬跨比約為后者的1.6倍，前者的轉(zhuǎn)體穩(wěn)定安全系數(shù)大于后者；70 m跨橋梁采用的截面高度為1.4 m，96 m跨橋梁開(kāi)口箱截面采用的截面高度為1.8 m，相應(yīng)的一階失穩(wěn)安全系數(shù)分別為27.0和24.7，說(shuō)明在轉(zhuǎn)體階段兩者的截面剛度相差不大，拱圈高度在轉(zhuǎn)體階段剛度發(fā)揮了較大的影響效應(yīng)；設(shè)計(jì)時(shí)70 m跨橋梁拱圈采用1.4 m截面高度和96 m跨橋梁拱圈采用1.8 m截面高度較為適當(dāng)。

由96 m和125 m跨度橋梁轉(zhuǎn)體階段穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，可以看出：兩者寬跨比相同，均為1/20，兩者拱圈高度相同，均為1.8 m，兩者的轉(zhuǎn)體穩(wěn)定安全系數(shù)均滿(mǎn)足規(guī)范要求；前者的轉(zhuǎn)體穩(wěn)定安全系數(shù)大于后者，約為后者的3倍，說(shuō)明在轉(zhuǎn)體階段兩者的縱、橫向截面剛度均相差較大；125 m跨拱圈采用1.8 m高度較為經(jīng)濟(jì)，但轉(zhuǎn)體施工階段拱圈截面設(shè)計(jì)時(shí)，安全儲(chǔ)備較小，跨度較大時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)增加截面高度以獲得較大的截面剛度。

綜上所述，橋梁轉(zhuǎn)體施工階段，寬跨比、拱圈高度等因素對(duì)截面剛度影響較大，從而對(duì)轉(zhuǎn)體施工階段橋梁穩(wěn)定性計(jì)算產(chǎn)生影響。選擇合理的寬跨比、拱圈截面高度，對(duì)大跨度轉(zhuǎn)體施工橋梁設(shè)計(jì)有著重要的指導(dǎo)意義。

2.2 拱圈應(yīng)力結(jié)果及分析

研究提取了不同跨徑下開(kāi)口箱轉(zhuǎn)體階段主拱圈應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，如圖7～圖9給出了不同跨徑下開(kāi)口箱轉(zhuǎn)體階段主拱圈上緣組合應(yīng)力。結(jié)果表明，在L/4處70 m跨開(kāi)口箱上緣沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力，但96 m和125 m跨開(kāi)口箱上緣拱圈均出現(xiàn)拉應(yīng)力。拉應(yīng)力數(shù)值較小，設(shè)計(jì)時(shí)可通過(guò)配置普通鋼筋，將混凝土裂縫寬度控制在規(guī)范允許范圍。

3 工程案例

恩施市洋傘壩大橋，位于鄂西南褶皺山地，地貌類(lèi)型屬溶蝕低山河谷地貌，微地貌為河谷、階地，地面標(biāo)高在470 m～580 m之間，相對(duì)高差約100 m。大橋斜跨一條近南北向的清江二級(jí)支流，兩橋臺(tái)岸坡較陡，兩側(cè)坡角最大達(dá)70°。

橋型方案：上構(gòu)為主跨L0=70 m，矢跨比f(wàn)0/L0=1/6的懸鏈線(xiàn)鋼筋混凝土箱型拱，拱軸系數(shù)為1.347，單箱三室，拱圈厚度為1.4 m，拱圈寬為5.6 m，橋梁全長(zhǎng)為86.3 m，橋型方案布置如圖10所示。轉(zhuǎn)體階段拱圈構(gòu)造和現(xiàn)場(chǎng)照片如圖11，圖12所示。

在實(shí)際轉(zhuǎn)體施工時(shí)，本項(xiàng)目截面縱橫向剛度均較大，轉(zhuǎn)體過(guò)程比較平穩(wěn)，與理論計(jì)算相差不大。實(shí)例說(shuō)明，寬跨比較大，截面高度合理時(shí)，拱片脫架后，主拱圈一般都處于全斷面受壓，僅L/4處可能會(huì)有較小的拉應(yīng)力，應(yīng)通過(guò)配筋加以控制裂縫。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)三種大跨度轉(zhuǎn)體施工工藝拱橋進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了三者轉(zhuǎn)體工況下的穩(wěn)定性，得出如下結(jié)論：

1)利用有限元程序建立三維模型來(lái)模擬開(kāi)口箱轉(zhuǎn)體施工工況是合理可行的，表明本文選用的材料模型和數(shù)值模擬方法能較準(zhǔn)確地計(jì)算轉(zhuǎn)體穩(wěn)定階段開(kāi)口箱的穩(wěn)定安全系數(shù)，對(duì)轉(zhuǎn)體施工工藝橋梁設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)意義。

2)寬跨比在1/20以?xún)?nèi)的開(kāi)口箱，在轉(zhuǎn)體施工階段，安全系數(shù)基本能滿(mǎn)足要求；寬跨比、截面高度對(duì)開(kāi)口箱截面剛度影響較大，寬跨比較大，開(kāi)口箱高度相對(duì)較高時(shí)，穩(wěn)定安全系數(shù)較高。

3)在轉(zhuǎn)體施工階段，開(kāi)口箱拱圈上緣L/4處可能會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)配筋設(shè)計(jì)，將裂縫控制在規(guī)范允許值內(nèi)。