基于預制吊裝法施工系桿拱的系桿極限安裝跨度的研究與應用

尚宗柱

摘要： 以蕪申線（高溧段）航道整治工程橋梁6標塹口大橋系桿拱施工為工程背景，從鋼筋混凝土的三種破壞形式及適筋梁的三個受力階段分析入手，詳細闡述了第一階段及第二階段對應的系桿最大安裝跨度推算過程，以及確定決定系桿極限安裝跨度的具體階段，最后介紹了系桿極限安裝跨度結(jié)論的實際應用情況及應用前景。

Abstract： The construction of the tie-bar arch of the 6# Qiankou bridge of the Wushen Line （Gaoli Section） Waterway Improvement Project is taken as the engineering background. Starting from the three failure modes of reinforced concrete and the analysis of the three stress stages of the suitable beam， the calculation process of the maximum installation span of the tie rod corresponding to the first stage and the second stage is described， and the specific stage of determining the limit installation span of the tie rod is determined. Finally， the practical application situation and application prospect of the limit installation span of the tie rod are introduced.

關(guān)鍵詞：極限;安裝跨度;三個受力階段;應用

Key words： limit;installation span;three stress stages;application

中圖分類號：U445.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）15-0084-04

0 ?引言

蕪申線（高溧段）航道整治工程橋梁6標塹口大橋主跨蕪申運河設計為一孔90m鋼管混凝土系桿拱橋，其中系桿施工采用預制吊裝方法，該法具有通航凈高大、投入周轉(zhuǎn)料少、經(jīng)濟效益好的優(yōu)點，實際應用最廣泛，其特點是系桿依靠自身剛度跨越臨時通航孔，當航道等級高、臨時通航凈寬較大時，系桿預制時就需要加大分段長度以適應較大的通航凈寬要求，這種情況下，系桿安裝后會產(chǎn)生較大彎矩，主拉應力會超出系桿混凝土設計拉應力而出現(xiàn)裂縫，這時，方案編織者往往認為系桿已超出跨度極限而否定預制吊裝法方案，退而選擇膺架貝雷梁預制安裝方案或膺架貝雷梁現(xiàn)澆方案。

只要系桿的實際極限跨越能力大于規(guī)定通航凈寬，就可以采用膺架預制吊裝法，因此探究系桿的真正極限安裝跨度對膺架預制吊裝法的進一步推廣具有重要意義。

1 ?系桿的結(jié)構(gòu)形式

本文以蕪申線（高溧段）航道整治工程橋梁6標塹口大橋系桿拱橋系桿作為研究對象，其斷面尺寸為1.3m×2m，縱斷面在對應中橫梁位置設計為實心鋼筋混凝土，實心段中心間距5.2m，兩實心段之間設置空腔，空腔長度4.2m，寬度0.7m，高度1.4m，四周設10cm×10cm倒角，系桿斷面內(nèi)上下各設置一層C25主筋及12孔預應力管道，其具體結(jié)構(gòu)如圖1。

2 ?系桿極限安裝跨度推算

2.1 鋼筋混凝土梁的三種破壞形式

預制安裝階段的系桿屬于標準鋼筋混凝土梁，根據(jù)縱向受拉鋼筋的配筋率ρ的不同，受彎構(gòu)件正截面受彎破壞形態(tài)有適筋破壞、超筋破壞和少筋破壞三種，這“三種破壞形式”特征曲線見圖2。

M1為少筋梁破壞時的正截面彎矩;

M2為適筋梁出現(xiàn)裂縫時的正截面彎矩;

M3為適筋梁破壞時的正截面彎矩;

M4為超筋梁破壞時的正截面彎矩;

ω1為少筋梁破壞時的擾度;

ω2、ω3為適筋梁出現(xiàn)裂縫時的突變前后擾度;

ω4為超筋梁破壞時的擾度;

ω5為適筋梁破壞時的擾度。

由“關(guān)系圖”可以看出ω5>ω4>ω1，闡明超筋破壞和少筋破壞破壞前沒有明顯征兆，危害性大，而適筋破壞破壞前有明顯征兆，這也是設計人員以適筋破壞方式配筋主要原因，可進一步將上述特征總結(jié)為表1。

2.2 系桿受彎的三個受力階段分析

上節(jié)已經(jīng)論述過系桿構(gòu)件為適筋梁，系桿預制安裝屬于典型的受彎梁，研究分析適筋梁的受彎狀態(tài)即可推算出系桿的極限安裝跨度，隨著系桿正截面彎矩增加，其受力狀態(tài)將經(jīng)過三個階段，即未裂階段、帶裂縫工作階以及破壞階段，三個階段中鋼筋混凝土的特征關(guān)系如圖3。

M1為少系桿出現(xiàn)裂縫時的正截面彎矩;

M2為鋼筋開始屈服時的正截面彎矩;

M3為系桿破壞時的正截面彎矩;

σ1為梁的允許受拉應力;

σ2、σ3為出現(xiàn)裂縫時鋼筋突變前后應力;

σ4為鋼筋屈服應力;

ω1、ω2為系桿出現(xiàn)裂縫時的突變前后擾度。

根據(jù)圖3的特性，可將系桿三個階段的受力特征總結(jié)如表2。

根據(jù)表2，進一步分析決定系桿極限安裝跨度的具體階段。

第一階段：鋼筋受力較小，混凝土未超出允許應力，系桿結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)“損傷”，人們常常選擇本階段最大值作為系桿抗彎能力的極限值，根據(jù)圖2可以看出，進入第二階段后，抗彎能力進一步提高，接下來再對第二階段做分析。

第二階段：鋼筋受力增加，但未超出屈服應力，但混凝土出現(xiàn)裂縫，系桿結(jié)構(gòu)出現(xiàn)“損傷”，該部分損傷即是指裂縫，根據(jù)表3，構(gòu)件最大裂縫寬度限值范圍內(nèi)的裂縫是允許存在的，因此，決定系桿極限抗彎能力的階段至少在第二階段。

第三階段：鋼筋出現(xiàn)屈服，受拉區(qū)混凝土完全退出工作，梁體受到不可逆轉(zhuǎn)的損壞，受彎構(gòu)件進入第三階段便不能使用，必須按報廢處理。

綜上所述，第一階段和第二階段是計算最大抗彎能力的兩種方法，第一階段結(jié)構(gòu)力學特性是線性相關(guān)的，該方法是應用最廣泛的，第二階段結(jié)構(gòu)力學特性是非線性相關(guān)的，這階段是系桿極限抗彎能力的決定階段。

2.3 第一階段最大安裝跨度推算

本階段力學特征均為線性相關(guān)，鋼筋與混凝土同步收縮，以塹口大橋系桿為計算對象，計算如下：

從計算結(jié)果可以看出系桿在“第一階段”最大安裝跨度并不是很高，主要是混凝土受拉應力小，在不破壞混凝土的情況下，鋼筋與混凝土同步發(fā)生很小的應變，導致鋼筋應力小，性能不能有效發(fā)揮所致。

2.4 第二階段最大安裝跨度推算

系桿在“第二階段”受力原理是混凝土產(chǎn)生裂縫，逐漸退出工作，裂縫提供了鋼筋產(chǎn)生較大應變的空間，鋼筋應力驟然增加，正截面抗彎主體由混凝土轉(zhuǎn)變?yōu)殇摻睢?/p>

本階段力學特征均為非線性相關(guān)，鋼筋與混凝土同步收縮，以塹口大橋系桿為計算對象，計算如下：

隨著混凝土裂縫寬度的增加，將會導致混凝土的拉應力減小、裂縫數(shù)量增加、鋼筋應力增加，可以將上述關(guān)系大致表示為下列等式：

在此，借助MIDAS FEA進行計算，經(jīng)過多次迭代計算，最后算得最大跨徑達到了29m。（圖5-圖7）

從計算結(jié)果看，系桿下半部沿縱向出現(xiàn)拱形裂縫區(qū)，裂縫最大寬度為0.16mm，出現(xiàn)在系桿跨中底部，此時鋼筋應力達到了108MPa，在此階段，系桿帶裂縫工作，鋼筋效能充分發(fā)揮，安裝跨度顯著提升，由此可以確定，系桿的極限安裝跨度由第二階段受力狀態(tài)決定。

3 ?極限安裝跨度的實際應用

塹口大橋系桿采用預制吊裝法施工，當?shù)睾Ｊ虏块T要求臨時通航孔需達到24m×6m標準，第一階段最大安裝跨度僅為18.8m，顯然不能滿足臨時通航要求，而第二階段最大安裝跨度（即極限安裝跨度）可達到29m，根據(jù)該結(jié)論，結(jié)合塹口大橋地理條件，我們將系桿最大預制長度設置為26.5m，水中膺架支撐間距為25m，具體見圖8。

2017年10月17日，我們順利地完成了塹口大橋系桿安裝，這也驗證了極限安裝跨度結(jié)論的正確性，現(xiàn)場安裝如圖9。

4 ?結(jié)論

①采用第一階段計算系桿最大安裝跨度的方法偏保守，系桿自身抗彎性能不能充分發(fā)揮，甚至會導致方案不可行，其計算出的最大安裝跨度也并非極限安裝跨度。

②第二階段下，系桿帶裂縫工作，鋼筋充分發(fā)揮作用，當裂縫寬度在允許范圍內(nèi)并接近最大值時，系桿達到極限安裝跨度。

③系桿安裝受力狀態(tài)是暫時性的，當后期系桿預應力施加及吊索張拉后，整個系桿處于受壓狀態(tài)，裂縫隨即消失，系桿總體沒有損傷。

④極限安裝跨度的結(jié)論可推廣至類似工程的極限跨度及極限承載力研究中，應用前景廣闊。

參考文獻：

[1]程文瀼，李愛群.混凝土結(jié)構(gòu)設計原理[M].中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[2]張文邦，韓瑞，范學印.系桿拱橋上部結(jié)構(gòu)預制安裝施工技術(shù)[J].中國水運，2011.

[3]陳鴻鳴.混凝土自錨式懸索橋極限跨徑分析[J].結(jié)構(gòu)工程師，2010.

[4]方新雨，莫恩.大跨徑混凝土系桿拱構(gòu)件預制、支架安裝施工方案解析[J].交通科技，2013.

[5]平栓玲.225m大跨度系桿拱橋系梁安裝施工技術(shù)[J].橋梁建設，2010.