混凝土拱橋懸臂澆筑法施工扣塔偏位對(duì)拱肋高程的影響研究

吳平琴， 潘榮斌， 郭吉平

(貴州路橋集團(tuán)有限公司， 貴州 貴陽 550001)

1 引言

拱橋造型優(yōu)美，曲線圓潤，受力合理，在中國已有悠久的歷史，其中混凝土拱橋在中國拱橋中的應(yīng)用最廣，積累了豐富的設(shè)計(jì)與施工經(jīng)驗(yàn)。目前中國一般采用纜索吊裝、轉(zhuǎn)體施工、勁性骨架法等方法進(jìn)行混凝土拱橋的施工，而懸臂澆筑法則在國外的拱橋施工中應(yīng)用較為廣泛?；炷凉皹蚴褂脩冶蹪仓ㄊ┕み^程中，高程控制是保證施工質(zhì)量以及橋梁結(jié)構(gòu)體系順利合龍的關(guān)鍵，扣塔偏位會(huì)對(duì)各節(jié)段高程產(chǎn)生影響，從而影響成拱線形，但目前中國國內(nèi)關(guān)于扣塔偏位對(duì)拱肋高程的影響分析較少。趙云鵬等分析了懸臂法施工時(shí)，溫度變化對(duì)高程的影響，得出溫度對(duì)高程影響較顯著的結(jié)論；董旭通過溫度-撓度-時(shí)間試驗(yàn)研究,得出溫度變化引起的連續(xù)梁橋撓度變化規(guī)律。

該文以貴州沙坨特大橋?yàn)橐劳泄こ蹋瑥膸缀畏治龅慕嵌冉冶蹪仓炷凉皹蚩鬯v向偏位對(duì)懸臂節(jié)段施工拱肋高程影響的解析計(jì)算公式，考慮不同扣塔高度下不同偏位的影響程度，并利用桿系有限元模型的施工步分析對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

2 扣塔偏位對(duì)拱肋高程影響的幾何分析

扣塔、扣索與錨索示意圖如圖1所示。

圖1 扣塔、扣索與錨索示意圖

假定扣塔向錨索方向產(chǎn)生偏位δ。其中h1為扣塔高度；Lb、Ls分別為產(chǎn)生偏位前錨索、扣索的長度；Lb′、Ls′分別為產(chǎn)生偏位后錨索、扣索的長度；h2、h2′分別為產(chǎn)生偏位前、后塔頂?shù)焦?jié)段底部的距離；S為節(jié)段的弦長；θ為產(chǎn)生偏位前節(jié)段弦長與水平線之間的夾角。

利用幾何方法可得：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

Ls′=Lb+Ls-Lb′

(7)

(8)

(9)

由此可知，點(diǎn)A到A′的豎向位移Δy為：

式中：cosΔφ≈1；sinΔφ≈Δφ。

3 沙坨特大橋扣塔偏位對(duì)各節(jié)段高程的影響

3.1 工程概況

沙坨特大橋位于貴州省銅仁市沿河縣淇灘鎮(zhèn)境內(nèi)。大橋全長為626.8 m，主跨為240 m鋼筋混凝土箱形拱橋，主拱圈采用掛籃懸臂澆筑法施工工藝，大橋立面布置圖見圖2。

圖2 沙坨特大橋立面圖(單位：cm)

大橋主拱圈為等高度懸鏈線鋼筋混凝土箱形截面，凈矢高為40 m，凈矢跨比為1/6,拱軸系數(shù)為1.85，箱形截面寬為10 m、高為4.5 m，主拱圈采用掛籃懸臂澆筑進(jìn)行施工。拱圈縱向共分為37個(gè)節(jié)段，其中兩岸拱腳位置1#節(jié)段為支架現(xiàn)澆段，拱頂設(shè)一個(gè)吊架澆筑合龍段，其余34個(gè)節(jié)段為懸澆段，拱圈的節(jié)段劃分如圖3所示。

利用Midas建立有限元模型，模型共有2 053個(gè)節(jié)點(diǎn)，2 661個(gè)單元，31個(gè)施工階段，扣塔及拱圈各節(jié)段為梁單元，扣索錨索用桁架單元模擬，錨索錨點(diǎn)處約束所有平動(dòng)自由度，扣塔底部為固結(jié)，拱腳節(jié)段以固結(jié)模擬，扣索與拱圈單元采用彈性連接進(jìn)行約束，扣錨索與錨箱之間同樣利用彈性連接約束。計(jì)算過程中采用強(qiáng)制位移的方式施加扣塔偏位。

圖3 沙坨特大橋拱圈節(jié)段劃分示意圖

3.2 扣塔偏位對(duì)各節(jié)段高程的影響

分別計(jì)算3#、6#、10#、14#、18#節(jié)段施工過程中在不同扣塔偏位作用下高程的變化，并與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖4～8所示。

圖4 沙坨特大橋扣塔偏位對(duì)3#節(jié)段高程的影響

圖5 沙坨特大橋扣塔偏位對(duì)6#節(jié)段高程的影響

圖6 沙坨特大橋扣塔偏位對(duì)10#節(jié)段高程的影響

由圖4～8可以看出：采用幾何分析和有限元分析兩種方法得出的結(jié)果大致相同，幾何分析方法具有一定的準(zhǔn)確性。分析結(jié)果顯示，當(dāng)扣塔向錨索方向產(chǎn)生偏位時(shí)，6#節(jié)段和14#節(jié)段高程下降，3#、10#、18#節(jié)段高程上升。

圖7 沙坨特大橋扣塔偏位對(duì)14#節(jié)段高程的影響

圖8 沙坨特大橋扣塔偏位對(duì)18#節(jié)段高程的影響

扣塔偏位對(duì)3#、18#節(jié)段影響較小，當(dāng)扣塔偏位控制為0.5 m時(shí)，對(duì)節(jié)段高程的影響僅為8.1 mm；而對(duì)14#節(jié)段高程的影響較大，應(yīng)加強(qiáng)施工控制。

3.3 扣塔高度不同時(shí)扣塔偏位對(duì)各節(jié)段高程的影響

在保持其他參數(shù)不變的情況下，將扣塔高度增加30、10、5、-5、-10、-20 m，分別計(jì)算各節(jié)段在不同扣塔高度下節(jié)段高程相對(duì)初始高度下高程的變化值，結(jié)果如圖9～13所示。

圖9 扣塔高度對(duì)3#節(jié)段高程的影響

由圖9～13可知：隨著扣塔高度增大，扣塔偏位對(duì)節(jié)段高程的影響都不斷增加，其中14#和18#節(jié)段高程對(duì)扣塔高度的變化較為敏感。

圖10 扣塔高度對(duì)6#節(jié)段高程的影響

圖11 扣塔高度對(duì)10#節(jié)段高程的影響

圖12 扣塔高度對(duì)14#節(jié)段高程的影響

圖13 扣塔高度對(duì)18#節(jié)段高程的影響

此外，對(duì)各節(jié)段在不同塔高和塔偏均為0.5 m的情況下進(jìn)一步分析，分析結(jié)果如表1所示。

表1表明：拱頂處14#和18#節(jié)段高程對(duì)扣塔高度的變化較為敏感。扣塔高度的改變對(duì)節(jié)段高程影響較大，故在進(jìn)行施工設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮塔高的影響，合理選擇扣塔高度。

表1 塔偏為0.5 m時(shí)扣塔高度對(duì)各節(jié)段高程的影響

度的變化較為敏感?？鬯叨鹊母淖儗?duì)節(jié)段高程影響較大，故在進(jìn)行施工設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮塔高的影響，合理選擇扣塔高度。

3.4 施工建議

扣塔偏位對(duì)拱頂和拱腳處節(jié)段高程影響較小，可忽略不計(jì)；對(duì)于中間節(jié)段的高程影響較大，扣塔偏位為0.5 m時(shí)高程變化最大值為0.214 8 m，應(yīng)加強(qiáng)施工控制?？鬯叨鹊母淖儗?duì)拱頂處節(jié)段有較大影響，扣塔高度增加30 m節(jié)段高程增加14 cm，即拱頂處節(jié)段對(duì)扣塔高度變化較敏感，在進(jìn)行施工設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇合適的扣塔高度。

4 結(jié)語

混凝土拱橋在懸臂澆筑施工過程中，高程控制是保證橋梁結(jié)構(gòu)體系順利合龍和成拱線形的關(guān)鍵，當(dāng)扣塔高度較大時(shí)，扣塔偏位對(duì)高程的影響不可忽略。該文以沙坨特大橋?yàn)槔?，采用幾何分析的方法進(jìn)行計(jì)算，探究各施工階段扣塔偏位對(duì)拱肋高程的影響，同時(shí)采用有限元分析進(jìn)行對(duì)比，表明幾何分析法具有較高的準(zhǔn)確性。分析結(jié)果表明：扣塔偏位對(duì)拱腳處節(jié)段影響較小，但對(duì)靠近拱頂節(jié)段影響較大，這是由于靠近拱頂處節(jié)段長度較大，與水平方向的夾角較小，扣塔偏位產(chǎn)生的節(jié)段豎向位移更大。同時(shí)在保證其他條件不變的情況下，增加扣塔高度會(huì)使扣塔穩(wěn)定性降低，從而增大扣塔偏位對(duì)節(jié)段高程的影響。