大跨度實(shí)心板拱橋懸拼鋼拱架設(shè)計與應(yīng)用

陳秀萍

（中鐵建安工程設(shè)計院有限公司，陜西 西安 710061）

1 拱橋施工概述

云貴地區(qū)拱橋施工較為常見，拱橋設(shè)計形式多樣，結(jié)合周邊環(huán)境、地勢地貌等因素，拱橋設(shè)計及施工技術(shù)逐漸成熟。尤其是我國大跨度拱橋施工及應(yīng)用，從南盤江、北盤江拱橋施工建設(shè)中積累了豐富的拱橋施工經(jīng)驗(yàn)。

拱橋施工由于其地理環(huán)境復(fù)雜，跨河流、峽谷對施工場地及各類施工條件提出了更高的要求，在復(fù)雜的施工環(huán)境下，如何選擇拱橋的施工方案是施工中的重點(diǎn)。拱橋施工從開始的土模法發(fā)展到現(xiàn)在的支架現(xiàn)澆、懸臂澆筑施工等施工工法，施工過程中的各種新工藝、新工裝、新材料應(yīng)用也作為拱橋施工的配套同步發(fā)展。

拱橋支架現(xiàn)澆分為兩種形式：若地勢允許，跨越河流或峽谷地勢不高，水位常年穩(wěn)定，可采用落地式現(xiàn)澆支架方案；反之則采用懸拼鋼拱架現(xiàn)澆方案。施工方案選擇必須結(jié)合周邊環(huán)境、拱橋澆筑重量、施工工期等綜合因素[1]。

本文分析了支架現(xiàn)澆及懸臂澆筑各工法的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合同類工程施工經(jīng)驗(yàn)，選擇懸臂拼裝鋼拱架現(xiàn)澆施工方案。懸臂拼裝鋼拱架設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段，可采用架設(shè)纜索吊或安裝施工塔吊對鋼拱架進(jìn)行懸臂安裝，鋼拱架安裝完成后進(jìn)行支架預(yù)壓，形成預(yù)壓成果報告，對拱腳預(yù)拱度、拱橋線性進(jìn)行預(yù)控和分析，合理安排拱橋混凝土澆筑順序，順利完成了實(shí)心板拱橋的澆筑，支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，通過調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)段安裝線性，現(xiàn)場加工合龍段鋼拱架，可適用于60～120 m 跨度拱橋澆筑[2]。

2 工程重難點(diǎn)分析

2.1 工程概況

貴州水利工程，標(biāo)段內(nèi)渠道共計11 段，包括渡槽、倒虹管、隧洞及相應(yīng)的壓力輸水管工程，其中渠道工程中包含拱橋施工，拱圈采用混凝土澆筑，拱圈上部采用混凝土排架結(jié)構(gòu)，排架頂部為輸水管道。

本文中案例工程管橋設(shè)計跨度為65 m，矢高13 m，矢跨比為1/5，拱軸系數(shù)1.367，設(shè)計預(yù)拱度10 cm，按照二次拋物線法設(shè)置預(yù)拱度。底部拱圈采用板拱結(jié)構(gòu)，斷面為實(shí)心矩形混凝土結(jié)構(gòu)，斷面尺寸1.3 m×5.0 m。其中，拱圈及排架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)采用C40 混凝土，其余結(jié)構(gòu)均采用C30 混凝土，拱圈結(jié)構(gòu)分兩次澆筑完成，待強(qiáng)度及彈性模量達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后澆筑頂部排架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，排架結(jié)構(gòu)澆筑過程中預(yù)留現(xiàn)澆渡槽預(yù)埋件。

2.2 重難點(diǎn)分析

拱橋懸臂鋼拱架安裝過程中，各拉索索力控制及交底控制為拱架安裝的重難點(diǎn)，其線性控制的精準(zhǔn)性決定了拱橋后期現(xiàn)澆線性控制。如何合理地設(shè)置張拉索的角度，調(diào)整鋼拱架安裝精度是鋼拱架施工的難點(diǎn)。鋼拱架設(shè)計除滿足其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的要求外，還要求對鋼拱架標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段之間的連接進(jìn)行專項設(shè)計，鋼拱架合龍后要保證節(jié)段之間傳力穩(wěn)固，不變形，其節(jié)點(diǎn)滿足精度高、節(jié)段連接強(qiáng)度高等要求。本文通過鋼拱架設(shè)計解決了線性控制及連接難題，通過支架預(yù)壓及后期混凝土澆筑控制，取得了良好的應(yīng)用效果。

3 懸拼鋼拱架現(xiàn)澆設(shè)計

3.1 現(xiàn)澆支架方案介紹及優(yōu)缺點(diǎn)分析

3.1.1 方案一：貝雷梁落地支架現(xiàn)澆設(shè)計方案

拱架結(jié)構(gòu)從上向下依次為1.5 cm 竹膠板、10 cm×10 cm 縱向方木、上I10（mm） 分配橫梁、盤扣支架、下I10（mm） 分配橫梁、321 型貝雷縱梁（上下加強(qiáng)弦桿）、2I40a（mm） 橫梁、φ530 mm×10 mm鋼管墩。貝雷片布置10 片，布置形式為每兩片通過45 cm 支撐架連成一組，共5 組，每組支架間距為60 cm，10 cm×10 cm 方木縱梁間距為20 cm，盤扣架最大步距為150 cm，橫向間距90 cm，縱向間距120 cm，鋼管之間采用14（mm） 槽鋼做連接系，起到穩(wěn)定作用。優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，線性控制較容易；缺點(diǎn)是用鋼量較大。

3.1.2 方案二：貝雷梁懸拼鋼拱架設(shè)計方案

貝雷梁懸拼鋼拱架，拱圈混凝土采用支架現(xiàn)澆施工工藝，支架采用鋼拱×支架，主要構(gòu)件為貝雷片加長短接頭組合而成，橫向聯(lián)系采用槽鋼及角鋼，貝雷片沿橋面橫向布置為20 片，橋跨方向?yàn)?0 片，共800 片貝雷片。此方案優(yōu)點(diǎn)在于貝雷梁為市場較為常見材料，取材方便，加工過程簡單；缺點(diǎn)在于貝雷梁異性節(jié)段需要加工制作，成本較高，施工周期具有不確定性，需要論證租賃還是采購貝雷梁進(jìn)行比選，由于拱橋跨度不同，因此材料周轉(zhuǎn)性不強(qiáng)。

3.1.3 方案三：可調(diào)式懸拼鋼拱架設(shè)計方案

可調(diào)式懸拼鋼拱架采用桁架結(jié)構(gòu)體系設(shè)計，加工為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段，方便運(yùn)輸及現(xiàn)場懸臂拼裝，受力結(jié)構(gòu)包括上下弦桿采用2L200 mm×125 mm×18 mm 角鋼，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用采用4 m 一節(jié)，中間合龍段現(xiàn)場根據(jù)寬度加工。弦桿中間桁架豎桿件采用2L70 mm×5 mm 角鋼。各桿件之間通過節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行焊接。標(biāo)準(zhǔn)段寬度700 mm，橫向連接風(fēng)架縱向3 片為一個單元?？烧{(diào)式懸拼鋼拱架設(shè)計重點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段之間的陰陽接頭，結(jié)構(gòu)形式必須滿足現(xiàn)場懸臂拼裝要求，按照鉸接形式進(jìn)行設(shè)置，僅對其平東進(jìn)行約束，滿足現(xiàn)場快速定位拼裝及合理調(diào)整線性的需求。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段上下弦桿采用銷子連接并固定。銷子直徑49.5 mm，銷孔直徑50 mm。保證標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段可按照銷子轉(zhuǎn)動調(diào)解線性。銷子材質(zhì)為30CrMnTi 鋼。

懸拼鋼拱架安裝必須采用纜索吊或者塔吊及其他吊裝設(shè)備輔助安裝，設(shè)備選型根據(jù)現(xiàn)場地勢條件進(jìn)行，若采用纜索吊裝，纜索吊設(shè)計荷載必須考慮最終階段吊裝重量。安裝過程中嚴(yán)格控制其線性要求，斜拉索角度必須能滿足其線性整體調(diào)整要求。

通過對以上3 個現(xiàn)澆支架方案的介紹及優(yōu)缺點(diǎn)的闡述，本項目選擇方案三進(jìn)行后續(xù)施工。

3.2 方案三鋼拱架結(jié)構(gòu)檢算

3.2.1 拱架最不利工況及荷載取值

拱圈混凝土施工步驟為：混凝土板拱厚度為1.3 m，分為2 層澆筑，第一層澆筑45 cm，第二層澆筑85 cm?？v向平均分為5 個節(jié)段，均對稱澆注。第一步，對稱澆筑拱腳段底板混凝土，弧長為14.32 m；第二步，澆筑拱頂段底板混凝土，弧長為14.32 m；第三步，對稱澆筑拱腰段底板混凝土，弧長為14.32 m；重復(fù)上述3 個施工步驟對拱圈混凝土進(jìn)行施工。

鋼拱架拼裝完成后，澆筑拱圈混凝土施工步驟較為繁多，因此計算選擇了幾個較為特殊的施工工況，包括最不利工況，滿足以下施工工況條件，其他施工工況則全部滿足要求[3]。

工況一：根據(jù)混凝土澆筑順序，首先澆筑拱腳混凝土，考慮荷載包括懸拼拱架自重、木荷載自重加施工活荷載，對稱拱腳段底板混凝土自重（第一層澆筑重量）。

工況二：拱腳段混凝土澆筑完成后，拱頂進(jìn)行壓重，保證拱圈線性可控，除了考慮工況一荷載工況外還增加拱頂混凝土自重（第一層澆筑重量）。

工況三：拱腰混凝土澆筑進(jìn)一步保證拱圈線性穩(wěn)定，除工況二荷載以外，增加拱腳部分混凝土重量，整個拱圈第一層（按照0.65 m 考慮偏于保守）全部澆筑完成。

拱腳采用軟件整體建模，考慮節(jié)點(diǎn)間彎矩釋放，結(jié)構(gòu)有限元線性理論分析，穩(wěn)定性采用屈曲分析，靜力分析過程中不考慮橫向連接作用，拱圈混凝土高度130 cm，分兩次澆筑。第一次澆筑45 cm，拱圈計算荷載取65 cm，計算偏于保守，計算過程中不考慮溫度對位移和應(yīng)力影響?；炷翝仓x在同一時期，同日內(nèi)最低穩(wěn)定下澆筑。

3.2.2 最不利工況強(qiáng)度及剛度計算結(jié)果

分別對3 種最不利工況進(jìn)行計算，計算3 種工況下受力最大桿件的彎曲應(yīng)力、軸向應(yīng)力及剪切應(yīng)力，考慮單獨(dú)構(gòu)件的穩(wěn)定性，并對拱架的整體穩(wěn)定性進(jìn)行屈曲分析，臨界荷載特征值不小于4[4-6]。

采用邁達(dá)斯軟件建立模型時，考慮拱架底部銷軸的彎矩釋放，計算3 種工況下拱架變形最大值，結(jié)果不小于L/1 000，且不大于100 mm。根據(jù)拱架變形情況為現(xiàn)場施工預(yù)拱度提供理論數(shù)據(jù)，現(xiàn)場預(yù)壓過程中做好拱架變形監(jiān)控并對理論數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，以得到最優(yōu)的拱架預(yù)拱度。

根據(jù)計算結(jié)果可知：一是工況二為最不利工況，拱頂混凝土澆筑完畢后弦桿組合應(yīng)力最大，因此在施工過程中必須及時澆筑拱腰混凝土，保證兩側(cè)對稱施工。二是桿件最大組合應(yīng)力為弦桿L200 mm×125 mm×18 mm，最大組合應(yīng)力為100 MPa，小于彎曲容許應(yīng)力218 MPa，滿足強(qiáng)度要求。三是拱架最大位移為16 mm，小于L/1 000=65 000/1 000=65 mm，且小于規(guī)范規(guī)定的100 mm 限制，滿足剛度要求。

拱架穩(wěn)定性分析采用軟件屈曲分析模式，考慮施工荷載及拱圈重量荷載為可變量，其余自重結(jié)構(gòu)為常量，計算其荷載特征值系數(shù)。通過屈曲分析可知，鋼拱架荷載特征值為20，滿足整體穩(wěn)定性要求。

3.2.3 拱架施工預(yù)拱度計算結(jié)果

混凝土預(yù)拱度計算必須考慮施工中的各類靜荷載及動荷載[7]。由于分兩次澆筑，第一層混凝土澆筑成拱后，開始對稱澆注第二層混凝土，第一層混凝土參與成拱受力，因此為了更精確地計算鋼拱架施工預(yù)拱度，按照65 cm 混凝土澆筑厚度荷載計算，根據(jù)計算結(jié)果，跨中撓度按照19～20 mm 設(shè)置為宜。

3.2.4 拱架拼裝過程中最大索力計算結(jié)果

鋼拱架包括合龍段，共計由17 個節(jié)段組成，兩側(cè)對稱懸臂安裝，每個節(jié)段拼裝完成后采用鋼絲繩對拱腳進(jìn)行固定[8]。為保證鋼拱架拼裝線型，必須對每個節(jié)段安裝后的索力進(jìn)行計算。計算最大索力以確定鋼絲繩選型，嚴(yán)格控制錨索安裝角度，確保與設(shè)計方案保持一致，后錨選點(diǎn)必須進(jìn)行專項設(shè)計，保障錨固力，角度應(yīng)科學(xué)合理，以保證現(xiàn)場拉索調(diào)整鋼拱架合龍線性，防止出現(xiàn)角度過小導(dǎo)致索力超負(fù)荷無法調(diào)整鋼拱架線型的現(xiàn)象。根據(jù)計算結(jié)果可知，第八節(jié)段鋼拱架安裝時為最不利狀態(tài)，最大索力為76 kN。

3.2.5 鋼拱架后錨計算結(jié)果

鋼拱架后錨采用人工挖孔樁錨入巖石內(nèi)，預(yù)埋張拉扣件，保證各拉索張拉角度，計算錨固樁直徑、鋼筋數(shù)量、抗拔力及水平力。根據(jù)以上計算可知，軸心受壓樁正面截面積受壓設(shè)計承載力為Rp=10 131.6 kN，計算實(shí)際承載力φRp=7 586.95 kN，小于Rp，故錨樁抗壓承載力滿足要求。由于錨樁錨固于山體中，樁底嵌于非巖石土中，驗(yàn)算錨樁水平承載力。錨樁最大水平承載力為節(jié)段8 處，計算值為158.2 kN，小于Rha=292 kN，故錨樁水平承載力滿足要求。錨固樁樁身直徑為1 m，主筋采用φ25 鋼筋16 根，滿足其樁身受力。

4 可調(diào)式懸拼拱架安裝過程監(jiān)控

4.1 監(jiān)控內(nèi)容

拱圈施工的基本順序?yàn)椋核魉┕ぁ摴凹軕移础叭炷翝仓?。施工監(jiān)控內(nèi)容根據(jù)懸拼鋼拱架施工過程制定方案，主要包括懸拼索力監(jiān)控，鋼拱架豎向、橫向位移監(jiān)控以及桁架式結(jié)構(gòu)上弦桿、下弦桿應(yīng)變監(jiān)控。其中，巖石內(nèi)錨樁施工為重點(diǎn)監(jiān)控內(nèi)容，整個施工過程中應(yīng)在錨樁施工時同步埋設(shè)山體變形觀測樁，以保證懸臂拼裝過程中鋼拱架施工安全。各類扣索結(jié)構(gòu)及鋼絲繩監(jiān)控也是施工中的重點(diǎn)內(nèi)容，需要進(jìn)行全程監(jiān)測，并運(yùn)用相關(guān)技術(shù)對監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[3，9-11]。

鋼拱架檢測斷面應(yīng)結(jié)合整個跨度內(nèi)變形具備代表性的截面，拱腳位置、L/4 位置、L/2 位置均應(yīng)設(shè)置觀測點(diǎn)。觀測點(diǎn)位置必須位于鋼拱架主體結(jié)構(gòu)上，不得設(shè)置在臨時支撐等結(jié)構(gòu)上，保證觀測結(jié)果的準(zhǔn)確性和標(biāo)準(zhǔn)唯一性。觀測過程應(yīng)選擇在施工人員、環(huán)境溫度等外界因素統(tǒng)一的狀態(tài)下進(jìn)行。

4.2 鋼拱架應(yīng)用效果

通過拱圈澆筑施工，考慮施工拱架的預(yù)拱度，拱圈混凝土分兩次進(jìn)行澆筑，采用“拱腳+拱頂+拱腰”的順序交替澆筑方案能較好地解決鋼拱架變形對拱圈線型產(chǎn)生影響的問題。混凝土及時成拱，保證了荷載的均勻性。橫向鋪設(shè)截面不等的方木調(diào)整拱曲線，拱圈底模采用膠合板，側(cè)模采用廠家定制的鋼模。通過鋼拱架技術(shù)應(yīng)用順利完成了拱圈混凝土澆筑，取得了良好的應(yīng)用效果，見圖1。

5 結(jié)束語

本文全面總結(jié)了一種可調(diào)式鋼拱架拱圈現(xiàn)澆施工技術(shù)，解決了跨峽谷地段拱圈混凝土澆筑難題，采用人工挖孔樁嵌入巖石進(jìn)行錨索張拉，并通過后錨角度控制，保證了鋼拱架線型準(zhǔn)確，設(shè)置合理的施工預(yù)拱度為后續(xù)混凝土拱圈澆筑提供了依據(jù)。對云貴地區(qū)拱圈混凝土澆筑施工等類似工程具有很好的參考意義。