大跨徑貝雷拱架與拱圈聯(lián)合承力分析

劉 俊

(保靖縣交通建設質量安全監(jiān)督站， 湖南 保靖 416500)

跨水域或峽谷修建大跨徑拱橋，大型纜吊設備受場地條件等限制難以進駐施工場區(qū)時，選擇整體性好、裝配化程度高、安裝方便的貝雷拱架現(xiàn)澆拱圈施工方案具有獨特優(yōu)勢。由于標準貝雷桁片高度只有1.5 m，剛度較小，受力學性能制約，承荷能力有限，一般采用分帶、分環(huán)加載方式，分環(huán)上多分為二環(huán)或三環(huán)，可有效減輕貝雷拱架負荷，確保貝雷拱架縱橫向穩(wěn)定性及施工安全。

國內許多學者對貝雷拱架在拱橋施工中應用有詳細研究，文獻[1]結合工程實例，介紹了貝雷架在大跨徑石拱橋施工中的應用；文獻[2]通過大跨度箱型拱施工實例，論述了貝雷梁在大跨度箱型拱施工中方便、靈活、快捷等應用優(yōu)點；文獻[3]介紹了以貝雷梁拱架為支架的拱肋分段、分環(huán)施工技術，并采用有限元仿真技術和經(jīng)典力學，分析貝雷梁鋼拱架在施工過程各工況下的力學性能。

主拱圈采用貝雷拱架分環(huán)加載施工過程中，先期施工的分環(huán)混凝土為環(huán)形拱結構時具有一定剛度，其剛度與貝雷拱架剛度相比不能被忽略，由此產(chǎn)生了新施工加載的混凝土荷載分配給已成環(huán)拱體和貝雷拱架的比例問題，即在拱架設計中如何考慮拱架與已施工成環(huán)拱體的聯(lián)合作用問題。相關文獻對貝雷拱架與拱圈已成環(huán)拱體聯(lián)合承力的特性缺乏深入研究，本文結合甘蘭坪大橋110 m跨徑箱肋拱橋主拱圈采用無中間支撐貝雷拱架分三環(huán)現(xiàn)澆施工實例，分析主拱圈分環(huán)加載拱環(huán)與貝雷拱架聯(lián)合作用中拱環(huán)的貢獻程度，充分發(fā)揮拱環(huán)的作用，減少貝雷拱架用量，避免盲目分環(huán)。

1 工程概況

甘蘭坪大橋為保靖遷清公路上一座新建的跨酉水河支流橋梁，為凈跨徑110 m鋼筋混凝土箱肋拱橋，橋寬8 m，采用無中間支撐的貝雷拱架進行主拱圈現(xiàn)澆施工。主拱圈高度2.5 m，寬度7.2 m，分為2肋，每榀拱肋寬度3.0 m，單箱2室，采用分帶、分環(huán)、分段的方法對稱加載施工。每榀拱肋為一帶，縱向分為12段、以拱頂為對稱每半跨分為6段，主拱圈分3環(huán)施工，第1環(huán)施工高度0.5 m(包括0.3 m厚底板、0.2 m高度腹板)，第2環(huán)施工1.65 m高度腹板，第3環(huán)施工0.35 m厚度頂板。

貝雷拱架為A3鋼材料，全寬7.24 m(左右側邊貝雷拱片間中距7.04 m)，貝雷架高度1.5 m，標準節(jié)段長度3.0 m，橫向設置14片貝雷拱片，拱片間橫向由花架連接。主拱圈施工加載分環(huán)高度尺寸如圖1，分環(huán)分段加載如圖2，以拱頂為對稱第1環(huán)分段施工次序為1-1、1-5、1-3、1-2、1-6、1-4，第2環(huán)、第3環(huán)分段施工次序與第1環(huán)相同。

圖1 主拱圈施工分環(huán)加載圖(單位： cm)

圖2 主拱圈施工分環(huán)分段加載圖(單位：cm)

2 主拱圈成環(huán)階段拱架受力分析

2.1 貝雷拱架材料力學特性

貝雷拱架采用A3鋼材，根據(jù)《公路橋涵鋼結構及木結構設計規(guī)范》(JTJ 025—86)，A3鋼貝雷拱片桿件容許軸向應力為140 MPa?？紤]貝雷拱架多次周轉使用強度折減系數(shù)0.75、容許應力提高系數(shù)1.3后，貝雷拱架強度計算采用的容許軸向應力為[σ]=140 MPa×0.75×1.3=136.5 MPa。

2.2 數(shù)值分析模型建立

采用有限元軟件Midas Civil建立基于梁單元的貝雷拱架及主拱圈空間有限元模型，共建立節(jié)點9412個、梁單元19 134個；邊界條件中，剛性支承96個，釋放梁端約束1 092個；根據(jù)拱架設計加載程序，劃分施工階段數(shù)量49個(施工步驟)。

2.3 主拱圈第一環(huán)加載拱架受力分析

大橋主拱圈第1環(huán)加載時，施工荷載全部由貝雷拱架承擔，計入拱架自重、主拱圈混凝土等施工荷載后的每片貝雷拱片計算荷載集度為6.3774kN/m，其中混凝土工程290.3m3，與鋼筋共重7559.9kN，拱架整體重量約1492.1kN，自重系數(shù)取1.15，施工荷載系數(shù)取1.4。主拱圈第1環(huán)施工貝雷拱架如圖3所示。

圖3 主拱圈第1環(huán)施工貝雷拱架簡圖(單位：cm)

采用Midas Civil軟件進行建模分析，主拱圈未加載前，拱架自重工況拱架軸向壓應力為23 MPa,第1環(huán)施工完成，拱架軸向壓應力達100 MPa，小于容許應力。主拱圈第1環(huán)加載階段理論計算貝雷桁架桿件最大應力見表1。

表1 主拱圈第1環(huán)加載階段拱架最大應力MPa施工階段最大拉應力最大壓應力施工階段最大拉應力最大壓應力拱架架設73-23S-1-164-65X-1-193-95S-1-284-84X-1-293-96S-1-385-89X-1-394-97S-1-485-93X-1-496-98S-1-592-93X-1-599-99S-1-692-95X-1-6100-100 表注: S-1-1為主拱圈上游第1環(huán)第1段(拱腳段)澆筑,X-1-6為主拱圈下游第1環(huán)第6段(拱頂段)澆筑。

2.4 主拱圈第2環(huán)、第3環(huán)加載拱架受力分析

采用Midas Civil軟件進行建模分析，第2環(huán)施工完成，施工荷載增加12 521.6 kN，每片貝雷拱片計算荷載集度為13.953 9 kN/m，拱架軸向壓應力達114 MPa；第3環(huán)施工完成，施工荷載增加5 533.5 kN，拱架軸向壓應力達132 MPa。貝雷桁架桿件最大軸向拉應力與最大軸向壓應力接近，拉應力、壓應力均未達到貝雷桁架桿件容許軸向應力136.5 MPa。主拱圈第2環(huán)、第3環(huán)施工階段理論計算貝雷桁架桿件最大應力見表2。

2.5 主拱圈加載階段貝雷拱架理論計算最大軸向應力

主拱圈施工加載階段貝雷拱架理論計算最大軸向應力匯總見表3。

表3 施工階段拱架計算最大軸向應力匯總表MPa拱架架設第1環(huán)第2環(huán)第3環(huán)23100114132

3 工程驗證

甘蘭坪大橋主拱圈施工階段拱架應力測試點布設在每榀貝雷拱架的拱頂、拱跨1/4、3/4的位置(見圖4)。

圖4 施工階段拱架應力測試點布設圖(單位： cm)

根據(jù)主拱圈施工監(jiān)控監(jiān)測記錄，主拱圈未加載前，拱架自重工況拱架軸向壓應力為13 MPa；施工階段，第1環(huán)施工完成，拱架軸向壓應力達108 MPa；第2環(huán)施工完成，拱架軸向壓應力達125 MPa；第3環(huán)施工完成，拱架軸向壓應力為106 MPa。施工階段拱架實測最大軸向應力數(shù)據(jù)見表4，最大軸向應力匯總見表5。

表4 施工階段拱架實測最大軸向應力MPa施工階段最大拉應力施工階段最大拉應力施工階段最大壓應力拱架架設-13S-1-1-12S-2-1-86S-3-1-105S-1-2-55S-2-2-86S-3-2-106S-1-3-50S-2-3-79S-3-3-105S-1-4-59S-2-4-72S-3-4-108S-1-5-60S-2-5-91S-3-5-105S-1-6-78S-2-6-86S-3-6-105X-1-1-39X-2-1-89X-3-1-104X-1-2-46X-2-2-92X-3-2-106X-1-3-49X-2-3-98X-3-3-104X-1-4-38X-2-4-97X-3-4-105X-1-5-90X-2-5-119X-3-5-107X-1-6-108X-2-6-125X-3-6-106

表5 施工階段拱架實測最大軸向應力匯總MPa拱架架設第一環(huán)第二環(huán)第三環(huán)13108125106

4 拱架與已成環(huán)拱體聯(lián)合承力分析

4.1 拱架與已成環(huán)拱體聯(lián)合承力相關性

施工階段加載拱架實測應力與拱架計算應力相關曲線見圖5。

圖5 施工階段加載拱架實測應力與拱架計算應力相關曲線

通過對各個階段應力實測值與理論值進行對比分析，可以看出：

1)拱架架設完成，拱架軸力實測值比理論值低43.5%；主拱圈第1環(huán)施工完成，拱架軸向應力實測值與容許應力限值比率為79.1%，與理論分析結果的73.3%基本一致；主拱圈第2環(huán)施工完成，拱架軸向應力實測值與容許應力限值比率為91.6%，與理論分析結果軸的83.5%基本一致；主拱圈第3環(huán)施工完成，拱架軸向應力實測值與容許應力限值比率為77.7%，遠小于理論分析結果的96.7%。

2)拱架應力實測值與相應理論值的變化步調基本一致，規(guī)律性較好。同時二者也存在一定差異，這些差異基本是在施工前期階段積累形成，加之拱架應力測試應力傳感器電焊在貝雷片表面，溫度因素對測量結果有一定影響。

3)主拱圈第3環(huán)施工時，拱架軸向應力減小，分段加載時拱架軸向應力基本無變化，拱架軸向應力與第1環(huán)施工最大應力基本相同，表明已施工成環(huán)的第1環(huán)與第2環(huán)拱體完全承擔了主拱圈第3環(huán)施工荷載。

4)主拱圈施工過程中，拱架與拱圈聯(lián)合承力在施工第2環(huán)階段，拱架與主拱圈第1環(huán)拱體共同作用承擔施工荷載。根據(jù)第2環(huán)實測拱架軸向應力反演，拱圈第2環(huán)施工時，每片貝雷拱片承荷的荷載集度為7.381 3 kN/m，第1環(huán)主拱圈拱體承荷的荷載集度為6.572 6 kN/m，拱架承擔的荷載比率約為53%，主拱圈第一環(huán)拱體承擔的荷載比率約為47%。

4.2 拱架與拱圈聯(lián)合承力分析結論

根據(jù)理論計算、主拱圈施工加載觀測結果分析，可以得出以下結論：

1)主拱圈第1環(huán)施工過程中，施工荷載全部由拱架承擔。

2)加載第2環(huán)混凝土時，貝雷拱架約承擔第2環(huán)施工荷載的53%～60%，第1環(huán)已成拱體約承擔第2環(huán)施工荷載的40%～47%。

3)主拱圈第3環(huán)施工時，已施工成拱的第1環(huán)與第2環(huán)拱體完全承擔了主拱圈第3環(huán)施工荷載，拱架已不承受施工荷載。

5 結語

通過110 m箱肋拱橋貝雷拱架理論分析及實體工程驗證，對于大跨徑拱橋主拱圈施工，采用貝雷拱架作支撐進行分環(huán)現(xiàn)澆施工是一種安全、可行的方案。明確了主拱圈在分環(huán)加載過程中拱架與已成環(huán)拱體分別承擔的新加荷載比例，避免盲目加載發(fā)生拱架失穩(wěn)安全事故，為科學分環(huán)提供參考。