鋼筋混凝土拱橋鋼拱架預(yù)壓應(yīng)力及變形監(jiān)控分析

劉 軍

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

鋼筋混凝土拱橋具有經(jīng)濟(jì)耐用、施工簡(jiǎn)捷、跨距優(yōu)越等特征，在我國(guó)高等級(jí)公路工程中得到了較為廣泛的應(yīng)用[1-2]。在鋼筋混凝土拱橋澆筑過(guò)程中，通常需采用鋼拱架來(lái)進(jìn)行臨時(shí)支撐，以保證混凝土的澆筑質(zhì)量和施工安全，因此拱架預(yù)壓成為了一項(xiàng)必不可少的施工工作[3]。

目前，國(guó)內(nèi)橋梁研究人員針對(duì)拱橋拱架預(yù)壓進(jìn)行了不少的研究，如劉博楠[4]等以魚(yú)泉灣大橋鋼拱架預(yù)壓為例，對(duì)比研究了鋼拱架加固前后的穩(wěn)定性，得到通過(guò)增加鋼拱架的片間橫向聯(lián)系可以有效地提升鋼拱架的整體穩(wěn)定性；謝彬[5]通過(guò)設(shè)計(jì)某鋼筋混凝土拱橋拱架預(yù)壓試驗(yàn)，提出了合理的貝雷拱架預(yù)壓方式能夠控制非彈性變形；周京[6]以甘蘭坪大橋?yàn)楣こ瘫尘埃瑢?duì)其貝雷拱架預(yù)壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，得到貝雷拱架預(yù)壓控制效果可行。本文以某鋼筋混凝土箱型截面拱橋?yàn)檠芯勘尘?，該橋在懸拼完鋼拱架后，需鋪設(shè)模板現(xiàn)澆鋼筋混凝土拱圈，考慮到鋼拱架剛度弱于拱圈截面，且拱架跨度較大，為保證拱橋的施工安全以及混凝土順利澆筑，在該拱橋主拱圈混凝土澆筑之前對(duì)鋼拱架進(jìn)行了預(yù)壓試驗(yàn)，分別對(duì)拱架預(yù)壓的變形及應(yīng)力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析，以期為同類(lèi)拱橋鋼拱架預(yù)壓工作提供參考與借鑒。

1 工程概況

以某鋼筋混凝土拱橋?yàn)檠芯勘尘?，該拱橋凈跨?0 m，凈矢高12.857 m，矢跨比1/7。拱橋上部結(jié)構(gòu)主跨采用等截面懸鏈線鋼筋混凝土箱形拱橋，下部采用C25片石混凝土，基礎(chǔ)采用明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)嵌入中風(fēng)化基巖均超過(guò)1 m。主拱圈為懸鏈線鋼筋混凝土單箱雙室斷面，拱軸系數(shù)2.52，箱高2.0 m。主拱圈腹板中肋、腹板邊肋除拱腳處由0.8 m漸變到0.52 m外，其余部分均為0.52 m；頂?shù)装宄澳_處由0.4 m漸變到0.26 m外，其余部分均為0.26 m。該鋼管混凝土拱橋?yàn)殡p向兩車(chē)道，設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)為公路-1級(jí)，橋面凈空為：0.5 m（護(hù)欄）+8.0 m（行車(chē)道）+0.5 m（護(hù)欄）。橋梁總體布置如圖1所示。

圖1 拱橋立面圖（單位：m）

2 預(yù)壓方法及流程

2.1 預(yù)壓方法

為了真實(shí)反映拱架在實(shí)際混凝土澆筑過(guò)程中的受力情況，同時(shí)考慮到施工便捷及施工進(jìn)度的要求，采用水袋預(yù)壓法進(jìn)行拱架預(yù)壓試驗(yàn)。該拱橋主拱圈按照豎向分環(huán)、縱向分段的方式進(jìn)行混凝土澆筑，同時(shí)需嚴(yán)格遵循縱橫對(duì)稱(chēng)的施工原則。其中拱圈的豎向分底板和下馬蹄、腹板和橫隔板、頂板和上馬蹄3個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行混凝土澆筑。通過(guò)參考同類(lèi)橋梁工程施工經(jīng)驗(yàn)[7-8]可知，第1環(huán)底板混凝土的最大加載重量一般為鋼拱架預(yù)壓加載最大重量，主拱圈在第1環(huán)底板混凝土澆筑階段時(shí)的最大澆筑荷載重量可歸結(jié)為底板+底板模板+馬蹄腹板以及施工臨時(shí)荷載等。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，大橋預(yù)壓控制荷載應(yīng)取1.2倍底板最大澆筑荷載重量。主拱圈縱向分成了5個(gè)長(zhǎng)度相等的澆筑節(jié)段，分別為兩個(gè)拱腳節(jié)段，兩個(gè)中間節(jié)段，一個(gè)拱頂節(jié)段，按照現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分別對(duì)各澆筑節(jié)段進(jìn)行往返混凝土澆筑。

拱架試壓預(yù)壓工作平臺(tái)采用鋼管進(jìn)行搭設(shè)，通過(guò)布設(shè)一定的水袋來(lái)完成預(yù)壓，其水袋根據(jù)鋼拱架的縱橋向均勻滿布，一共設(shè)置了6個(gè)水袋，其中每個(gè)水袋的尺寸為12 m×6 m×1.4 m（水袋最大裝水高度）=100.8 m3，6個(gè)水袋的最大儲(chǔ)水總量604.8 t，滿足拱架預(yù)壓荷載要求。鋼拱架上直接用鋼管腳手架搭設(shè)預(yù)壓平臺(tái)，根據(jù)荷載集度和預(yù)壓加載程序往水袋加水加載，最后滿載預(yù)壓荷載需要對(duì)水袋加載到目標(biāo)高度。

2.2 預(yù)壓流程

該拱橋于2019年11月30日開(kāi)始拱架預(yù)壓準(zhǔn)備工作，2019年12月20日完成預(yù)壓平臺(tái)搭設(shè)，同時(shí)立即開(kāi)始水袋布置及加載。水袋加載分3次進(jìn)行，第一次為加載所有水袋至1.11 m處，第二次為加載所有水袋至1.22 m處，第三次為加載所有水袋至1.33 m處。整個(gè)水袋在12月24日加滿，靜置一段時(shí)間后再安排測(cè)試，等變形測(cè)試結(jié)果穩(wěn)定后，隨即卸掉水袋內(nèi)的水，即完成整個(gè)預(yù)壓試驗(yàn)過(guò)程。整個(gè)預(yù)壓試驗(yàn)過(guò)程于12月25日即拱架變形完成恢復(fù)后結(jié)束。拱架預(yù)壓試驗(yàn)順序如表1所示。

表1 拱架預(yù)壓試驗(yàn)順序

其中加載順序1—6的加載工況為100%重量預(yù)壓，水袋加載到1.11 m處；加載順序7—12的加載工況110%重量預(yù)壓，水袋加載到1.22 m處；加載順序13—18的加載工況為120%重量預(yù)壓，水袋加載到1.33 m處；加載順序19的加載工況為安裝加載順序反向進(jìn)行卸載。預(yù)壓加載順序兩岸嚴(yán)格按照對(duì)稱(chēng)順序進(jìn)行，拱圈底板混凝土澆筑順序與水袋注水加載順序基本相同。

3 拱架預(yù)壓應(yīng)力及變形監(jiān)控分析

鋼拱架預(yù)壓過(guò)程中需要對(duì)鋼拱架的應(yīng)力及變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)及評(píng)估，同時(shí)需與計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比分析，用來(lái)判斷拱架是否能夠正常地工作。從2019年12月20日至12月25日的水袋加載過(guò)程中，分別對(duì)鋼拱架控制截面的變形及應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.1 預(yù)壓過(guò)程線形監(jiān)測(cè)

為掌握拱架預(yù)壓過(guò)程中變形的彈性規(guī)律，以確保鋼拱架的結(jié)構(gòu)變形安全，需要在拱架預(yù)壓試驗(yàn)加載前，采用TOPCON-GTP3002LN全站儀觀察預(yù)壓試驗(yàn)各工況下鋼拱架在L/8、L/4、3L/8、L/2、5L/8、3L/4、7L/8截面處的撓度并進(jìn)行測(cè)量，不斷跟蹤預(yù)壓過(guò)程中各關(guān)鍵截面測(cè)點(diǎn)的變形軌跡與變形量。

通過(guò)對(duì)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理得到鋼拱架在120%滿載預(yù)壓荷載作用下，各變形測(cè)點(diǎn)的最大變形值、彈性變形值、非彈性變形值、理論彈性變形值如圖2所示。

圖2 拱圈關(guān)鍵截面測(cè)點(diǎn)變形

由圖2可知，在120%滿載預(yù)壓荷載作用下，鋼拱架最大彈性變形發(fā)生于拱頂L/2截面處，其最大彈性變形為4.9 cm，小于理論計(jì)算值5.3 cm，滿足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》JTG/TF50—2011中技術(shù)指標(biāo)的要求。其他各關(guān)鍵截面測(cè)點(diǎn)的彈性變形也均小于理論計(jì)算值，說(shuō)明了鋼拱架的實(shí)際剛度大于理論剛度，反映出拱架的安裝精度和安裝質(zhì)量較好，鋼拱架實(shí)際剛度滿足要求。

3.2 預(yù)壓過(guò)程應(yīng)力監(jiān)測(cè)

為掌握拱架預(yù)壓過(guò)程中應(yīng)力的變化規(guī)律，選取拱腳截面、1號(hào)扣索截面、L/4截面及拱頂截面共7個(gè)斷面作為拱架預(yù)壓應(yīng)力測(cè)試斷面，具體拱架應(yīng)力測(cè)試截面如圖3所示。其中2-2和6-6截面（1號(hào)扣索截面），在每個(gè)截面各選取2片貝雷架于上下弦桿處均布置一個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)；4-4（拱頂截面）選取2片貝雷架于上下弦桿處均布置一個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)；1-1和7-7截面（拱腳截面）選取中間片貝雷架在上下弦桿處均布置一個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)；3-3和5-5截面（L/4截面）選取中間片貝雷架在上下弦桿處均布置一個(gè)應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，一共布置20個(gè)應(yīng)變傳感器，各傳感器編號(hào)對(duì)應(yīng)截面位置如表2所示。

表2 傳感器安裝截面位置

圖3 拱架應(yīng)力測(cè)試截面

通過(guò)對(duì)應(yīng)力實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整理，得到鋼拱架在120%滿載預(yù)壓荷載作用下各應(yīng)力監(jiān)測(cè)截面實(shí)測(cè)應(yīng)變值如圖4所示。

由圖4a可知，在滿載預(yù)壓荷載作用下，鋼拱架7-7截面下弦桿處實(shí)測(cè)應(yīng)變值最大，1-1截面下弦桿處實(shí)測(cè)應(yīng)變值最小。整個(gè)拱圈各關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)的初始應(yīng)變值均大于測(cè)試值，其中4-4截面上游榀下弦桿處的應(yīng)變測(cè)試值與初始值差距最小，而6-6截面上游榀上弦桿處應(yīng)變測(cè)試值與初始值差距最大。由圖4b可知，整個(gè)鋼拱架在滿載預(yù)壓荷載作用下均處于受壓狀態(tài)，在各關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)中僅2-2截面上游榀下弦桿的應(yīng)變差值略高于理論計(jì)算值，而其余測(cè)點(diǎn)應(yīng)變差值均不同程度地高于其理論計(jì)算值，說(shuō)明鋼拱架實(shí)際強(qiáng)度較高；主拱圈最大實(shí)測(cè)應(yīng)變?yōu)?05 με，根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可知應(yīng)力為121 MPa，遠(yuǎn)小于Q345鋼材的屈服強(qiáng)度，且實(shí)測(cè)應(yīng)變值與理論應(yīng)變值接近，反映出鋼拱架的強(qiáng)度滿足實(shí)際工程要求。

圖4 拱圈關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某鋼筋混凝土拱橋拱架預(yù)壓過(guò)程中的拱圈關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行變形和應(yīng)變監(jiān)測(cè)，得出以下結(jié)論：

a）在滿載預(yù)壓荷載作用下，拱頂?shù)淖畲髲椥宰冃螢?.9 cm，小于理論計(jì)算值5.3 cm，且其他位置變形也均小于理論值，故鋼拱架實(shí)際剛度大于理論計(jì)算值，表明該鋼拱架剛度滿足要求。

b）主拱圈最大實(shí)測(cè)應(yīng)變?yōu)?05 με，根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可知應(yīng)力為121 MPa，遠(yuǎn)小于Q345鋼材的屈服強(qiáng)度，且實(shí)測(cè)應(yīng)變值與理論應(yīng)變值接近，反映出鋼拱架的強(qiáng)度滿足實(shí)際工程要求。

c）綜上所述，該鋼筋混凝土拱橋鋼拱架的預(yù)壓滿足預(yù)壓方案要求，可進(jìn)行下一步主拱圈底板混凝土澆筑施工，且底板混凝土澆筑過(guò)程中需繼續(xù)對(duì)鋼拱架進(jìn)行監(jiān)測(cè)，特別是鋼拱架的變形和應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)鋼拱架的鉸頭和拱段連接桿日常檢查。