大跨度現澆箱型拱橋施工拱架結構分析

尚 晉

(大連理工現代工程檢測有限公司 大連市 116024)

隨著鋼筋混凝土拱橋跨徑的增大，特別是在山區、峽谷等施工條件下，采用拱架施工的橋梁特點一般是橋下凈空高，拱架結構復雜，施工拱架常采用纜索懸臂施工法[2]，在拱架上常采用分環分段的混凝土澆注方法進行拱圈施工等。在整個施工過程中，拱圈和拱架的受力情況較為復雜，因此必須要對其進行施工過程結構行為分析，以掌握任意施工狀態下橋梁與施工結構的受力和變形情況，分析拱圈截面的應力分布情況。另一方面，進行施工過程結構受力分析，可合理布置拱架，優化拱架受力狀況，確保施工過程的安全。

1 工程背景

位于遵義市道真縣三江鎮以北的甕溪Ⅱ號大橋是一座凈跨L=96m的上承式現澆鋼筋混凝土箱形截面拱橋，矢跨比f/L為1∶6，拱軸系數為1.756。拱圈寬度為7.5 m，截面高為1.9m，單箱雙室截面，見圖1所示。施工方法采用貝雷片組拼成施工拱架，利用拱架進行拱圈混凝土現澆，其中采用扣索吊裝懸臂拼裝法進行拱架拼裝。

拱圈混凝土結構分三次澆注，分層位置見圖2所示。

2 拱架設計要點

施工拱架采用貝雷片桁架利用纜索吊裝懸臂拼裝而成。為了滿足設計拱圈線形的要求，在桁架拼裝處接入可微調的陰陽接頭，以此來對拱架線形進行調整。

鋼拱架跨度為94.96m，軸線寬7.3m，截面總高度1.7m。橫斷面拱架共包含6組鋼桁架，每組包含2排桁架，共計12排桁架。其中每排鋼桁架由31片貝雷片、7種規格尺寸的陰陽接頭和2個拱腳構架組成[3]。每組內2排桁架中心距離為0.45m，每組間桁架間距為0.9m和0.95m，如圖1所示。

圖1 拱架及拱圈橫斷面示意圖(單位：cm)

圖2 拱圈混凝土分層澆注位置示意圖

貝雷片桁架除拱腳段材料采用Q235外，其余均采用Q345。在施工拱架懸拼施工過程中，拱架每側設置7道扣索，每道扣索橫向設2個扣點，共布置2根Φ28的鋼絲繩。

3 有限元模型分析

3.1 計算模型及參數

采用平面桁架模型對拱架構件進行承載力計算。在遵循貝雷桁架標準平聯布置的前提下，弦桿的壓桿穩定系數為0.8，腹桿的壓桿穩定系數為0.66[4]。拱腳段桿件較短，弦桿和腹桿的壓桿穩定系數均取為1.0。計算結果中給出的弦桿壓應力均按下式計算：

在只計重量荷載的工況下，貝雷片弦桿(Q345)和拱腳段弦桿(Q235)的容許應力分別取200MPa和140MPa[5]，當考慮溫度效應時，容許應力提高25%[6]，此時的容許應力分別取250MPa和175MPa。

3.2 計算工況

(1)工況一：貝雷片拱架自重荷載275t；

(2)工況二：工況一+模板及墊方自重荷載165t+施工荷載50t；

(3)工況三：拱圈底板和下馬蹄混凝土澆注完畢時，其荷載為工況二+底板和下馬蹄混凝土自重荷載680t；

(4)工況四：腹板混凝土澆注完畢時，其荷載為工況三+拱圈腹板和橫隔板自重荷載490t；

(5)工況五：頂板混凝土澆注完畢時，其荷載為工況四+頂板和上馬蹄混凝土自重荷載680t；

(6)工況六：工況二+1.2倍底板和下馬蹄混凝土自重荷載。

其中工況六為荷載試驗工況。

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4 拱架構件承載能力分析

4.1 計算結果

各控制工況下的弦桿最大應力結果如表1所示，拱架撓度結果如表2所示。

表1 各控制工況的弦桿最大應力σ(單位：MPa)

表2 各控制工況的拱架總撓度f(單位：mm)

從表1、表2數據中可以看出，在拱架施工過程中上弦桿和下弦桿的最大應力分別為136MPa和146MPa，拱架荷載試驗時上弦桿和下弦桿的最大應力分別為122MPa和123MPa，在所有工況下，弦桿的應力均滿足要求(<200MPa)，并且有較大的安全儲備。還可以看出拱架在以上六個工況下的撓度最大值為78mm，與拱架跨度之比約為1/1200，遠小于規范規定的變形限值。

另外，荷載試驗工況的弦桿應力及拱架撓度均接近開口箱澆注完畢狀態的數據，一般認為開口箱澆注完畢是整個施工過程的最危險工況。因此，將第一次澆注底板混凝土重量的1.2倍作為試驗荷載也是合理的。

本方案的施工拱架各桿件的承載力均符合規范要求。

4.2 溫度影響分析

在溫度作用影響下，由于拱架結構受到已澆注的拱圈混凝土結構約束影響而產生應力。本橋施工過程中，當拱圈底板和腹板混凝土澆注完畢并達到強度后，此時溫度作用下拱架構件應力最大，因此，只計算此工況下的溫度作用影響。

由于降溫會導致拱架結構卸載，因此只對升溫或正溫差進行計算。

在拱圈頂板混凝土澆注完畢時，同時考慮體系溫差+15℃以及拱架、拱圈溫差+5℃時，拱架弦桿的最大應力為164MPa，小于此時的容許應力250MPa。所以，考慮溫度效應時，拱架桿件承載力滿足規范要求。

5 箱型拱圈與拱架聯合作用分析

(1)該層混凝土澆注完畢后拱架構件應力，混凝土荷載由拱架和已澆混凝土共同承擔；

(2)該層混凝土自重全部由施工拱架承擔時拱架構件應力。

各工況下的計算結果見表3。

表3 各層混凝土澆注后拱架關鍵截面壓應力增量比較(單位：MPa)

從表3中可以看出，由于第一層拱圈混凝土澆注后，混凝土重量全部由拱架承擔，因此情況①和②計算結果一致，最大應力發生在L/4下弦桿，為61.6MPa壓應力；第二層混凝土澆注后拱架關鍵位置上弦桿和下弦桿實際應力增量與全部混凝土重量由拱架承擔時的應力增量之比均不超過40%，即第二層混凝土60%的重量都由已澆注的第一層混凝土承擔，剩余的40%由拱架承擔；第三層混凝土澆注后拱架關鍵位置上弦桿和下弦桿實際應力增量與全部混凝土重量由拱架承擔時應力增量之比均不超過30%，即第三層混凝土70%的重量都由已澆注的第一、二層混凝土承擔，剩余的30%由拱架承擔。

6 結論及建議

結合甕溪Ⅱ號橋實際工程，對拱架施工過程及其施工過程中的結構受力狀態進行了有限元分析，可得到以下結論：

(1)通過有限元模型模擬了在拱架上澆注拱圈過程的受力狀況，從計算數據上看，甕溪Ⅱ號橋采用貝雷拱架現澆施工是一種安全、可行的方案，拱架滿足承載力要求。

(2)采用纜索懸拼拱架，并在其上分層分段施工的現澆鋼筋混凝土拱橋，已澆注的混凝土與拱架共同作用明顯。在甕溪Ⅱ號橋中，其整體貢獻度達41.6%，介于石拱橋的30%[7-9]和鋼筋混凝土拱橋的43%[10]之間。