三角拱座組合鋼拱架體系計(jì)算分析

劉家奎，羅 浩，杜 斌

(1. 貴州順康路橋咨詢有限公司，貴州 貴陽 550000；2.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

三角拱座組合鋼拱架體系計(jì)算分析

劉家奎1，羅 浩1，杜 斌2

(1. 貴州順康路橋咨詢有限公司，貴州 貴陽 550000；2.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

對(duì)山區(qū)一座采用三角拱座組合鋼拱架體系施工的拱橋，采用有限元計(jì)算軟件Midas進(jìn)行分析，對(duì)其施工過程的應(yīng)力、撓度及穩(wěn)定性做了模擬分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出了合理化建議，為大跨度拱橋施工方案設(shè)計(jì)及計(jì)算提供參考。

鋼拱架；三角拱座；計(jì)算分析

1 工程概況

馬嶺河特大橋主橋是一座凈跨為152 m的上承式鋼筋混凝土箱形截面拱橋。主拱圈為等高度懸鏈線拱，矢跨比為1/5，拱軸系數(shù)為1.872。

拱圈截面高度為3.2 m，單幅拱圈寬度為10.76 m，單箱五室截面。標(biāo)準(zhǔn)斷面頂、底板及腹板厚度均為30 cm，拱腳兩個(gè)橫隔板范圍內(nèi)，頂、底板及中腹板的厚度由30 cm加厚到60 cm，邊腹板的厚度由30 cm加厚到45 cm。

拱圈混凝土采用拱架現(xiàn)澆方法施工。混凝土澆筑程序采用分層澆筑法，待上一層混凝土全部澆筑完畢并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后再進(jìn)行下一層混凝土的澆筑，混凝土共分四層澆筑。

拱圈采用“四環(huán)五段法”進(jìn)行澆筑，各層混凝土的澆筑程序如表1所示。每一段的澆筑方向均為由低向高進(jìn)行，每層混凝土分五段對(duì)稱澆筑。

該橋拱架設(shè)計(jì)較為特殊，橋跨中間采用跨度為120 m的鋼拱架+兩岸各16 m三角拱座搭模現(xiàn)澆形式，鋼拱架布置為8肋，總寬度11.30 m(拱箱寬度10.67 m)。

鋼拱架及三角拱座的尺寸，其中拱座斜撐鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定立柱(小立柱)為D630×12鋼管結(jié)構(gòu)，拱座立柱(大立柱)及橫梁為C40鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

表1 拱圈各層混凝土分段長度/m

2 計(jì)算荷載及計(jì)算工況

2.1 計(jì)算荷載

(1) 鋼拱架結(jié)構(gòu)自重，包括8組鋼管斜撐及連接系85 t，8組拱架及連接系393 t。

(2) 拱架上鋼管支架及模板重：225 t(在120 m拱架范圍內(nèi)均布考慮)，折算均布荷載18.0 kN/m。

(3) 施工荷載：50 t(在120 m拱架范圍內(nèi)均布考慮)，折算均布荷載4.0 kN/m。

(4) 四層混凝土在拱架范圍內(nèi)的折算均布荷載為別為：94.5 kN/m，76 kN/m，76 kN/m。

2.2 計(jì)算工況

根據(jù)實(shí)際施工情況主要考慮以下7個(gè)工況。

工況1：拱架自重；

工況2：工況1+鋼管支架及模板重量+施工荷載；

工況3：工況2+拱圈底板混凝土重；

工況4：工況3+1.2 m高的拱圈腹板及橫隔板重；

工況5：工況4+1.2 m高的拱圈腹板及橫隔板重；

工況6：工況4+0.4 m剩余橫隔板及拱圈頂板和上馬蹄；

工況7：工況1(拱架自重)+模板及支架自重225 t+施工荷載50 t+1.2拱圈底板混凝土重(1.2×1219)=1 462 t。除拱架自重外的總試驗(yàn)荷載為1 737 t，折算后拱架范圍的試驗(yàn)荷載為139.0 kN/m。

3 計(jì)算模型考慮

3.1 計(jì)算假定及計(jì)算模型

拱架的整體受力計(jì)算按平面桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行。其中桁片之間的連接節(jié)點(diǎn)(下弦的銷接節(jié)點(diǎn)和上弦的球頭連接節(jié)點(diǎn))按鉸接節(jié)點(diǎn)計(jì)算，桁片內(nèi)節(jié)點(diǎn)按剛接節(jié)點(diǎn)計(jì)算。模板支架及拱圈各層荷載按照均布荷載模擬，一般上一環(huán)已澆筑成型的混凝土環(huán)可以承擔(dān)很大一部分新澆筑混凝土重量，其承載比例占混凝土拱圈總重量的48%左右。因此對(duì)第2～4層拱圈荷載進(jìn)行依次折減。拱架上的各種荷載通過支架傳遞到拱架上弦節(jié)點(diǎn)上。半幅鋼拱架由8片拱架組成，本次計(jì)算選取一片拱架進(jìn)行計(jì)算。

3.2 計(jì)算參數(shù)

拱架桁片鋼材為Q345，其材料容許應(yīng)力采用200 MPa，鋼材彈性模量采用2×105MPa，鋼材的線膨脹系數(shù)采用1.2×10-5，拱圈混凝土容重：26 kN/m3，混凝土的線膨脹系數(shù)：1.0×10-5。

弦桿和交叉斜腹桿為受壓桿件，豎腹桿為受拉桿件。壓桿承載力為桿件的整體穩(wěn)定承載力控制，拉桿承載力為桿件的強(qiáng)度承載力控制。所有桿件的整體穩(wěn)定驗(yàn)算均只驗(yàn)算拱架平面內(nèi)的穩(wěn)定，拱架平面外的穩(wěn)定通過桁片組內(nèi)的橫向聯(lián)系(綴板或綴條)來保證。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 承載力計(jì)算

拱架各種桿件在各滿布荷載工況下的最大應(yīng)力見表 2。由表中數(shù)據(jù)可以看出，拱架弦桿的最大應(yīng)力發(fā)生在拱圈頂板混凝土澆筑完畢時(shí)，此時(shí)弦桿的最大應(yīng)力為161 MPa<[σ]=200 MPa，滿足規(guī)范要求，并有較大的安全儲(chǔ)備。腹桿應(yīng)力出現(xiàn)在第二層腹板澆筑完成后普通腹桿處最大應(yīng)力為81 MPa<[σ]=200 MPa，遠(yuǎn)小于規(guī)范規(guī)定的容許應(yīng)力200 MPa。

表3為拱架在各主要受力工況下的計(jì)算撓度，從表中數(shù)據(jù)可以看出，拱架的剛度較大，全部施工完成后，拱架包括自身重量產(chǎn)生的拱頂最大撓度為94 mm僅為拱架跨度(L=120 m)的1/1 276。

表2 各控制工況拱架桿件的最大應(yīng)力 /MPa

表3 拱架各階段的計(jì)算撓度 /mm

表4為6種滿布荷載作用工況下三角架計(jì)算應(yīng)力，計(jì)算過程偏安全考慮未考慮斜撐鋼管中混凝土的協(xié)同作用。表4中立柱設(shè)計(jì)由混凝土拉應(yīng)力控制，因此表4中僅列出混凝土立柱最大拉應(yīng)力及鋼管絕對(duì)最大應(yīng)力，拱腳斜撐鋼管的最大壓應(yīng)力為80 MPa<[σ]=140 MPa，滿足規(guī)范要求。混凝土立柱最大拉應(yīng)力為2.1 MPa，已接近混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，建議混凝土立柱加強(qiáng)普通鋼筋配置。

表4 各控制工況三角拱座最大/最小應(yīng)力 /MPa

本拱架的承載力滿足規(guī)范要求，并有一定的安全儲(chǔ)備，為后續(xù)承擔(dān)施工過程中的不均勻荷載留下足夠的安全儲(chǔ)備。實(shí)際施工中只需處理好拱架構(gòu)造、斜撐鋼管與桁架、立柱、平聯(lián)等的連接構(gòu)造，確保連接節(jié)點(diǎn)的局部承載力滿足受力要求即可。

4.2 穩(wěn)定性計(jì)算

分別對(duì)工況1～工況3進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析，得到表 5所列的穩(wěn)定安全系數(shù)。

表5 各工況穩(wěn)定系數(shù)

底板澆筑完畢時(shí)，拱架整體穩(wěn)定系數(shù)為6.44，滿足拱橋穩(wěn)定安全系數(shù)要求大于4～5的規(guī)范要求。各工況失穩(wěn)模態(tài)均為拱架平面外失穩(wěn)，建議在拱架上下游設(shè)置橫向纜風(fēng)索，確保拱架不產(chǎn)生橫向偏位。

5 結(jié) 論

(1)在現(xiàn)有鋼拱架跨度不滿足施工要求時(shí)，可在拱架兩端對(duì)稱設(shè)置三角拱座以對(duì)現(xiàn)有拱架進(jìn)行充分利用。

(2)采用四環(huán)五段澆筑法，合理控制分段澆筑高度及長度能保證鋼拱架應(yīng)力在設(shè)計(jì)允許值范圍，并有較大的安全儲(chǔ)備。

(3)三角拱座斜撐受壓應(yīng)力較大，采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)較為合理，大立柱受拉應(yīng)力較大，施工時(shí)應(yīng)采用高標(biāo)號(hào)混凝土及加強(qiáng)普通鋼筋配置。

(4)拱架上下游應(yīng)設(shè)置橫向纜風(fēng)索，確保拱架不發(fā)生面外失穩(wěn)。

[1] 顧安邦，向中富．橋梁工程[M]．2版．北京：人民交通出版社．2011．

[2] 彭文平．拱架懸拼技術(shù)與混凝土拱肋早期裂縫研究[D]．長沙：長沙理工大學(xué)，2010．

U442

B

1008-3383(2017)10-0095-02

2017-06-07

劉家奎(1987-)，男，工程師，研究方向：橋梁施工與工程智能控制。