輕型鋼拱架現澆箱型拱橋有限元分析

劉鑫良

(重慶交通大學 土木工程學院， 重慶 400074)

1 工程概況

設計基準期：100年；設計荷載：公路-Ⅰ級；道路等級：二級公路；橋面寬度：0.5m（防撞護欄）+8m（車行道）+0.5m（防撞護欄）；設計行車速度60Km/h。橋梁所處地區地震動峰值為0.05g，地震烈度6度。上部結構主跨采用65米、矢跨比f0/L0=1/4.96的等截面懸鏈線鋼筋混凝土箱形拱橋，主拱圈厚1.7米，拱軸系數為1.523。下部采用C25片石混凝土，下部采用明挖擴大巖石基礎，基礎嵌入中風化基巖不小于1米。主拱圈主及拱上排架采用現澆施工，空心板采用預制安裝。

2 拱橋施工設計

2.1 主拱圈施工設計

澆筑主拱圈混凝土前，應對拱座面的混凝土結合面按施工規范鑿毛洗凈，確認橫墻預埋筋安裝無誤后方可澆筑拱圈混凝土。拱圈混凝土施工遵循"分環分段灌注順序應使支架在混凝土灌注過程中發生的變形幅度最小"的施工原則，確定主拱圈澆筑順序，拱上澆筑的原則是"均衡、對稱"。拱圈要求分 5 段對稱澆筑，在縱橫向都必須對稱澆筑。主拱圈混凝土采用分環、分段的方法進行施工，即：整個拱圈根據支架的結構體系分為 3個澆筑環；即底板環、腹板環及頂板環，每環澆筑時再分5段對應水平長度分別均為19.6m，先對稱澆筑拱腳段，再從跨中段向兩拱腳方向澆筑，拱頂段澆筑完后，再澆筑 1/4段。段與段之間預設間隔槽(頂板不設間隔槽)，間隔槽寬1.5m，根據監控單位的施工加載計算，腹板和底板環兩環同時合龍，使拱圈形成一個開口箱形結構，這樣對支架和結構比較安全，然后再進行頂板環的分段澆筑及合龍。為了避免支架局部異常變形，采取拱頂兩側對稱的方法施工。拱圈現澆按三環進行，要求第一環混凝土強度達到 100%設計強度后方可澆筑第二環；第二環混凝土強度達到 90%的設計強度后方可澆筑第三環混凝土，每一環施工，均應按縱向分段的原則進行加載。加載應注意縱橫向對稱、均勻。

2.2 輕型鋼拱架施工

由于拱橋的受力特點，拱橋最關鍵的部位在于主拱圈的施工，由于橋址，地質等原因本橋主拱圈采用懸拼拱架施工。鋼拱架采用懸鏈線，兩拱腳鉸中心的跨徑L=6256.5cm，相應矢高f=1267.46cm。鋼拱架不設預拱度時，拱架拱頂上緣至拱圈下緣之間預留11.5cm凈空，作為布置底模板、墊塊及調整拱圈高程用。鋼拱架包括基本節段和聯結系，拱架橫斷面由6道基本節段及5組聯結系組成。全橋共用10片拱腳節段、60片標準節段、10片調節階段和5片拱頂節段。

3 計算結果

3.1 計算參數及加載程序

鋼拱架自重：約190t（包括基本節段及所有聯結系）；全橋模板及其墊塊重量：100t；全橋滿布其余施工荷載：50t；拱肋底板及下馬蹄混凝土重：450.7t；拱肋腹板及橫隔板混凝土重：341.6t；拱肋頂板及上馬蹄混凝土重：450.7t；鋼拱架均勻溫度：±15oC；風荷載：取風速20m／s的風力值。

階段 1：鋼拱架成拱；階段 2：鋪設墊塊及模板；階段 3：施工滿布臨時荷載。當拱圈進行加載時，每階段荷載施加到鋼拱架的步驟與主拱圈澆注的順序一樣，分環分段進行加載，即階段 4～階段 9：澆筑底板及下馬蹄混凝土；階段 10～階段 15：澆筑腹板混凝土；階段 11～階段 21：澆筑頂板及上馬蹄混凝土。

3.2 計算分析結果

利用有限元軟件Civil對扣掛系統進行結構驗算，鋼拱架采用梁單位進行模擬，拱架下弦桿件接頭釋放梁端彎矩，節點只能傳遞軸向力，不能傳遞彎矩；拱架上弦考慮到有對拉螺桿連接，接頭間無法自由轉動，考慮為剛接；拱腳采用鉸接約束；扣索與拱架扣點采用彈性連接來模擬扣索扣掛作用，采用只受拉單位連接。鋼絲繩彈性模量取為210Gpa，根據拱架及扣塔實際布置建模計算，拱架自重由軟件自動生成。計算拱架結構。拱架最大位移為5.2cm，拱架最大應力為24Mpa，滿足設計及規范要求。第二道扣索索力最大，每道扣索索力為 158KN,采用φ30（6×37+1）的鋼絲繩，鋼絲繩抗拉索力為 1123KN，扣索安全系數為：n=529/158=3.34＞3，滿足施工要求。

為準確掌握可調式組合拱架受荷載及溫度等因素影響下的應力、應變和位移情況，確保安全順利地澆筑拱圈，在鋪設拱圈底模前對拱架進行加載試壓，預壓荷載為主拱圈底板及腹板混凝土自重的1.2倍考慮施加荷載，試壓加載程序按設計加載程序相同進行。預壓過程拱架最大位移為4.2cm，最大應力為148Mpa，一岸單榀拱架豎向最大反力為52.7t，橫向最大反力為76.1t。

對鋼拱架強度及穩定計算，得出上弦桿最大應力 173MPa、下弦桿軸壓最大應力 172MPa、斜腹桿軸壓最大應力 119MPa，弦桿及腹桿的應力均小于軸壓穩定容許應力，滿足規范要求。均勻溫度產生的應力很小，均勻升溫：最大拉應力為1.6MPa，最大壓應力-1.8MPa；均勻降溫：最大壓應力為-2MPa，最大拉應力2.3MPa；相應于溫度1.25 的提高幅度，溫度應力很小，因此考慮溫度效應的荷載組合不控制拱架弦桿、腹桿設計。

整體性驗算：扣掛階段鋼拱架失穩首先發生為局部失穩。合攏階段鋼拱架失穩首先發生為面內反對稱失穩。開口箱澆筑過程中，最小穩定安全系數14.2〉4，整體穩定性滿足規范要求。

4 結語

這種鋼拱架相對于傳統的拱架而言，構造簡單、受力清楚、拼裝方便，且可調整軸線，能完好的適應各種跨徑的拱橋，發展潛力巨大。本文利用某拱橋主拱圈采用拱架懸拼，對拱架進行驗算，根據設計資料、參數進行建模，對輕型鋼拱架扣掛、成拱、預壓等施工階段進行計算分析，輕型鋼拱架均滿足使用要求。為以后此類鋼拱架的使用提供參考。

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