大跨度現(xiàn)澆箱型拱橋施工拱架結(jié)構(gòu)分析

尚 晉

(大連理工現(xiàn)代工程檢測有限公司 大連市 116024)

隨著鋼筋混凝土拱橋跨徑的增大，特別是在山區(qū)、峽谷等施工條件下，采用拱架施工的橋梁特點(diǎn)一般是橋下凈空高，拱架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工拱架常采用纜索懸臂施工法[2]，在拱架上常采用分環(huán)分段的混凝土澆注方法進(jìn)行拱圈施工等。在整個(gè)施工過程中，拱圈和拱架的受力情況較為復(fù)雜，因此必須要對其進(jìn)行施工過程結(jié)構(gòu)行為分析，以掌握任意施工狀態(tài)下橋梁與施工結(jié)構(gòu)的受力和變形情況，分析拱圈截面的應(yīng)力分布情況。另一方面，進(jìn)行施工過程結(jié)構(gòu)受力分析，可合理布置拱架，優(yōu)化拱架受力狀況，確保施工過程的安全。

1 工程背景

位于遵義市道真縣三江鎮(zhèn)以北的甕溪Ⅱ號(hào)大橋是一座凈跨L=96m的上承式現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱形截面拱橋，矢跨比f/L為1∶6，拱軸系數(shù)為1.756。拱圈寬度為7.5 m，截面高為1.9m，單箱雙室截面，見圖1所示。施工方法采用貝雷片組拼成施工拱架，利用拱架進(jìn)行拱圈混凝土現(xiàn)澆，其中采用扣索吊裝懸臂拼裝法進(jìn)行拱架拼裝。

拱圈混凝土結(jié)構(gòu)分三次澆注，分層位置見圖2所示。

2 拱架設(shè)計(jì)要點(diǎn)

施工拱架采用貝雷片桁架利用纜索吊裝懸臂拼裝而成。為了滿足設(shè)計(jì)拱圈線形的要求，在桁架拼裝處接入可微調(diào)的陰陽接頭，以此來對拱架線形進(jìn)行調(diào)整。

鋼拱架跨度為94.96m，軸線寬7.3m，截面總高度1.7m。橫斷面拱架共包含6組鋼桁架，每組包含2排桁架，共計(jì)12排桁架。其中每排鋼桁架由31片貝雷片、7種規(guī)格尺寸的陰陽接頭和2個(gè)拱腳構(gòu)架組成[3]。每組內(nèi)2排桁架中心距離為0.45m，每組間桁架間距為0.9m和0.95m，如圖1所示。

圖1 拱架及拱圈橫斷面示意圖(單位：cm)

圖2 拱圈混凝土分層澆注位置示意圖

貝雷片桁架除拱腳段材料采用Q235外，其余均采用Q345。在施工拱架懸拼施工過程中，拱架每側(cè)設(shè)置7道扣索，每道扣索橫向設(shè)2個(gè)扣點(diǎn)，共布置2根Φ28的鋼絲繩。

3 有限元模型分析

3.1 計(jì)算模型及參數(shù)

采用平面桁架模型對拱架構(gòu)件進(jìn)行承載力計(jì)算。在遵循貝雷桁架標(biāo)準(zhǔn)平聯(lián)布置的前提下，弦桿的壓桿穩(wěn)定系數(shù)為0.8，腹桿的壓桿穩(wěn)定系數(shù)為0.66[4]。拱腳段桿件較短，弦桿和腹桿的壓桿穩(wěn)定系數(shù)均取為1.0。計(jì)算結(jié)果中給出的弦桿壓應(yīng)力均按下式計(jì)算：

在只計(jì)重量荷載的工況下，貝雷片弦桿(Q345)和拱腳段弦桿(Q235)的容許應(yīng)力分別取200MPa和140MPa[5]，當(dāng)考慮溫度效應(yīng)時(shí)，容許應(yīng)力提高25%[6]，此時(shí)的容許應(yīng)力分別取250MPa和175MPa。

3.2 計(jì)算工況

(1)工況一：貝雷片拱架自重荷載275t；

(2)工況二：工況一+模板及墊方自重荷載165t+施工荷載50t；

(3)工況三：拱圈底板和下馬蹄混凝土澆注完畢時(shí)，其荷載為工況二+底板和下馬蹄混凝土自重荷載680t；

(4)工況四：腹板混凝土澆注完畢時(shí)，其荷載為工況三+拱圈腹板和橫隔板自重荷載490t；

(5)工況五：頂板混凝土澆注完畢時(shí)，其荷載為工況四+頂板和上馬蹄混凝土自重荷載680t；

(6)工況六：工況二+1.2倍底板和下馬蹄混凝土自重荷載。

其中工況六為荷載試驗(yàn)工況。

總體來看，上世紀(jì)八九十年代和新世紀(jì)初年，正是社會(huì)轉(zhuǎn)型時(shí)期，各種矛盾凸現(xiàn)，社會(huì)思潮也比較活躍，也是雜文創(chuàng)作的一個(gè)重要階段。一大批作家投身雜文創(chuàng)作，河北、吉林等地的雜文報(bào)刊，成為各地雜文作家矚目的發(fā)表園地。尤其是河北省的雜文報(bào)刊，是當(dāng)年高揚(yáng)擔(dān)任河北省委第一書記時(shí)支持創(chuàng)辦的專業(yè)報(bào)刊，他們也在幾十年的雜文編輯工作中錘煉出了優(yōu)良的團(tuán)隊(duì)作風(fēng)，凝聚了全國雜文界的精銳陣容。他們發(fā)出的許多作品，直指時(shí)弊且文采燦然，讀來痛快淋漓，在改革開放以來的思想解放和思想啟蒙中發(fā)揮了應(yīng)有的作用?？梢哉f，雜文隊(duì)伍是無愧于這個(gè)時(shí)代的。

4 拱架構(gòu)件承載能力分析

4.1 計(jì)算結(jié)果

各控制工況下的弦桿最大應(yīng)力結(jié)果如表1所示，拱架撓度結(jié)果如表2所示。

表1 各控制工況的弦桿最大應(yīng)力σ(單位：MPa)

表2 各控制工況的拱架總撓度f(單位：mm)

從表1、表2數(shù)據(jù)中可以看出，在拱架施工過程中上弦桿和下弦桿的最大應(yīng)力分別為136MPa和146MPa，拱架荷載試驗(yàn)時(shí)上弦桿和下弦桿的最大應(yīng)力分別為122MPa和123MPa，在所有工況下，弦桿的應(yīng)力均滿足要求(<200MPa)，并且有較大的安全儲(chǔ)備。還可以看出拱架在以上六個(gè)工況下的撓度最大值為78mm，與拱架跨度之比約為1/1200，遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的變形限值。

另外，荷載試驗(yàn)工況的弦桿應(yīng)力及拱架撓度均接近開口箱澆注完畢狀態(tài)的數(shù)據(jù)，一般認(rèn)為開口箱澆注完畢是整個(gè)施工過程的最危險(xiǎn)工況。因此，將第一次澆注底板混凝土重量的1.2倍作為試驗(yàn)荷載也是合理的。

本方案的施工拱架各桿件的承載力均符合規(guī)范要求。

4.2 溫度影響分析

在溫度作用影響下，由于拱架結(jié)構(gòu)受到已澆注的拱圈混凝土結(jié)構(gòu)約束影響而產(chǎn)生應(yīng)力。本橋施工過程中，當(dāng)拱圈底板和腹板混凝土澆注完畢并達(dá)到強(qiáng)度后，此時(shí)溫度作用下拱架構(gòu)件應(yīng)力最大，因此，只計(jì)算此工況下的溫度作用影響。

由于降溫會(huì)導(dǎo)致拱架結(jié)構(gòu)卸載，因此只對升溫或正溫差進(jìn)行計(jì)算。

在拱圈頂板混凝土澆注完畢時(shí)，同時(shí)考慮體系溫差+15℃以及拱架、拱圈溫差+5℃時(shí)，拱架弦桿的最大應(yīng)力為164MPa，小于此時(shí)的容許應(yīng)力250MPa。所以，考慮溫度效應(yīng)時(shí)，拱架桿件承載力滿足規(guī)范要求。

5 箱型拱圈與拱架聯(lián)合作用分析

(1)該層混凝土澆注完畢后拱架構(gòu)件應(yīng)力，混凝土荷載由拱架和已澆混凝土共同承擔(dān)；

(2)該層混凝土自重全部由施工拱架承擔(dān)時(shí)拱架構(gòu)件應(yīng)力。

各工況下的計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 各層混凝土澆注后拱架關(guān)鍵截面壓應(yīng)力增量比較(單位：MPa)

從表3中可以看出，由于第一層拱圈混凝土澆注后，混凝土重量全部由拱架承擔(dān)，因此情況①和②計(jì)算結(jié)果一致，最大應(yīng)力發(fā)生在L/4下弦桿，為61.6MPa壓應(yīng)力；第二層混凝土澆注后拱架關(guān)鍵位置上弦桿和下弦桿實(shí)際應(yīng)力增量與全部混凝土重量由拱架承擔(dān)時(shí)的應(yīng)力增量之比均不超過40%，即第二層混凝土60%的重量都由已澆注的第一層混凝土承擔(dān)，剩余的40%由拱架承擔(dān)；第三層混凝土澆注后拱架關(guān)鍵位置上弦桿和下弦桿實(shí)際應(yīng)力增量與全部混凝土重量由拱架承擔(dān)時(shí)應(yīng)力增量之比均不超過30%，即第三層混凝土70%的重量都由已澆注的第一、二層混凝土承擔(dān)，剩余的30%由拱架承擔(dān)。

6 結(jié)論及建議

結(jié)合甕溪Ⅱ號(hào)橋?qū)嶋H工程，對拱架施工過程及其施工過程中的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)進(jìn)行了有限元分析，可得到以下結(jié)論：

(1)通過有限元模型模擬了在拱架上澆注拱圈過程的受力狀況，從計(jì)算數(shù)據(jù)上看，甕溪Ⅱ號(hào)橋采用貝雷拱架現(xiàn)澆施工是一種安全、可行的方案，拱架滿足承載力要求。

(2)采用纜索懸拼拱架，并在其上分層分段施工的現(xiàn)澆鋼筋混凝土拱橋，已澆注的混凝土與拱架共同作用明顯。在甕溪Ⅱ號(hào)橋中，其整體貢獻(xiàn)度達(dá)41.6%，介于石拱橋的30%[7-9]和鋼筋混凝土拱橋的43%[10]之間。