萬能桿件鋼拱架方案比選與數值分析

王詩青， 魏 民

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司;公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

當拱橋跨越V形山谷，拱橋跨徑較大，且拱圈與谷底距離較大時，由于施工條件的限制性，鋼拱架現澆法可以為這類拱橋的修建提供一種可行的方法且已經得到普遍應用。

萬能桿件能夠拼裝成各種形式的支架或臨時性設施，且承受各種變形。利用萬能桿件按一定規則拼裝施工臨時性結構——鋼拱架，在鋼拱架上完成大橋的混凝土主拱圈分環分段的澆筑。

本文對鋼筋混凝土箱拱橋拱圈施工過程中的萬能桿件鋼拱架進行研究，目的在于通過數值模擬分析不同截面方案對鋼拱架力學性能的影響，為施工鋼拱架的設計和優化提供參考。

1 項目概況

某大橋主橋為130 m鋼筋混凝土箱拱橋，凈跨徑L0=130 m，凈矢高f0=32.5 m，矢跨比f0/L0=1/4 。主拱圈采用懸鏈線等截面混凝土箱型拱，拱軸系數m=2.206，整體立面布置如圖 1所示。拱圈采用單箱三室箱形截面，拱圈寬為9.5 m，拱圈高2.5 m；頂板、底板厚30 cm，邊腹板厚35 cm，腹板厚30 cm，縱向每隔5 m左右設一道橫隔板。主跨橋面寬度：2.0 m(人行道)+8.0 m(橋面凈寬)+2.0 m(人行道)=12.0 m。主拱圈采用C50混凝土現澆砌筑，主拱圈橫截面如圖2所示。

圖1 橋型布置示意圖

圖2 拱圈截面圖

大橋主跨拱圈采用在拱架上分環分段砌筑法施工。拱架由A3 和16Mn 鋼萬能桿件以及Q235特制桿件及節點板拼成的空間桁架和拱盔構成，主拱圈分3環澆筑而成，每環又分成3段進行澆筑。拱圈澆筑完成后，在拱圈強度達到設計要求時進行落架。

2 萬能桿件鋼拱架方案

2.1 方案一

采用標準桿件拼裝成4 m×8 m單片節段(標準單片節段)，如圖3所示。采用特制桿件、標準桿件拼裝成拱腳特制單片節段及單片拱頂合龍段。

圖3 方案一鋼拱架標準單片節段示意圖(縱橋向)

單榀鋼拱架由14片4 m×8 m標準節段、2片拱腳特制節段、單片拱頂合龍段以及節段間的特制節點板組成，鋼拱架凈跨為126 m，凈矢高29.7 m，凈矢跨比F/L=0.236，如圖4所示。

圖4 方案一單榀鋼拱架分段圖

全橋橫向布置12榀鋼拱架拱片，兩榀中心間距1.0 m，拱架全寬11 m。兩榀橫向用特制節點板以及特制桿件連接，如圖5所示。

圖5 方案一鋼拱架橫橋向連接示意圖

2.2 方案二

采用標準桿件拼裝成6 m×8 m單片節段(標準單片節段)，如圖6所示。采用特制桿件、標準桿件拼裝成拱腳特制單片節段及單片拱頂合龍段。

圖6 方案二鋼拱架標準單片節段示意圖(縱橋向)

單榀鋼拱架由14片6 m×8 m標準節段、2片拱腳特制節段、單片拱頂合龍段以及節段間的特制節點板組成，鋼拱架凈跨為122.5 m，凈矢高28.1 m，凈矢跨比F/L=0.229，如圖7所示。

圖7 方案二單榀鋼拱架分段圖

全橋橫向布置7榀鋼拱架拱片，兩榀中心間距2.0 m，拱架全寬12 m。兩榀橫向用標準節點板以及標準桿件連接，如圖8所示。

圖8 方案二鋼拱架橫橋向連接示意圖

3 有限元模型

本文采用MIDAS/Civil建立有限元模型，萬能桿件采用梁單元進行模擬，拱圈采用板單元進行模擬。拉索及纜風索均用桁架單元進行模擬。鋼拱架和拱圈底板采用剛性連接。方案一模型如圖9所示，方案二模型如圖10所示。

圖9 方案一模型圖

圖10 方案二模型圖

計算荷載考慮了自重、施工荷載、風荷載、纜風索初拉力荷載以及溫度荷載。自重包括鋼拱架及鋼筋混凝土拱圈的自重。施工荷載考慮到拱盔、施工設備以及人員等在施工過程中對結構體系產生的影響，在整個拱圈底板面施加6 kN/m2的均布荷載，通過拱圈底板傳遞給鋼拱架。根據《公路橋梁抗風設計規范》 (JTG/T D60-2004)計算得到風荷載大小F=1.9 kN/m。根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2015)，合龍溫度15℃，溫度荷載采用升溫31 ℃、降溫24 ℃定義。纜風索初拉力荷載為80 kN(在數值模擬分析過程中，纜風索的初拉力為80 kN，在施工過程中應當根據鋼拱架的吊裝過程的實測數據進行調整)。

各施工階段的荷載組合： 1.0自重+1.0施工荷載+1.0風荷載+1.0纜風索初拉力荷載

PostCS荷載組合：① 1.2恒荷載+1.0升溫;②1.2恒荷載+1.0降溫 (其中自重、施工荷載、風荷載、纜風索初拉力荷載均為恒荷載)

分為20個施工階段，CS 1～CS 8施工階段模擬節段1～節段8拱架的纜索吊裝，CS 9施工階段模擬鋼拱架合龍(節段9吊裝)，CS 10 施工階段模擬扣索拆除。

拱圈縱橋向分三段現澆，CS 11～CS 13施工階段模擬拱圈一環一段、一環二段、一環三段現澆施工，CS 14～CS 16施工階段模擬拱圈二環一段、二環二段、二環三段現澆施工，CS 17施工階段模擬拱圈橫隔板現澆施工，CS 18～CS 20施工階段模擬拱圈三環一段、三環二段、三環三段現澆施工。

4 分析結果

4.1 方案一分析結果

方案一PostCS荷載組合②(1.2恒荷載+1.0降溫)狀態的應力如圖11所示，最大壓應力為146.7 MPa、最大拉應力為77.4 MPa，滿足規范要求。

圖11 方案一PostCS鋼拱架應力圖(降溫)

PostCS鋼拱架應力最大值及位移最大值參表1。

表2 方案一PostCS鋼拱架應力最大值(MPa)及位移最大值(cm)

方案一拱圈分環分段澆筑階段,鋼拱架各桿件應力最大值以及位移最大值參見表2，各施工階段穩定系數參見表3。

表2 鋼拱架各桿件應力最大值(MPa)以及位移最大值(cm)

表3 各施工階段穩定系數

弦桿、立桿、斜桿以及橫向連接的應力圖如圖12～圖15所示。

圖12 弦桿應力圖

圖13 立桿應力圖

圖14 斜桿應力圖

圖15 橫向連接應力圖

分析結果表明:方案一的鋼拱架的強度、剛度及穩定性均能滿足主拱圈正常施工要求，并且該鋼拱架能夠滿足規范規定的風荷載、施工荷載、溫度荷載、纜風索初拉力荷載及拱圈自重荷載組合作用下的承載力要求。

4.2 方案二分析結果

方案二PostCS荷載組合②(1.2恒荷載+1.0降溫)狀態的應力如圖16所示，最大壓應力為281.4 MPa、最大拉應力為314.8 MPa，不滿足規范要求，其他分析結果不再贅述。

圖16 方案二PostCS鋼拱架應力圖(降溫)

5 結 論

(1)通過對方案一鋼拱架的每個施工階段計算分析，強度、剛度、穩定性均滿足要求，此方案用于拱圈的現澆施工是可行的。

(2)方案二較方案一每一榀增加一層主要承力桿件弦桿，從分析結果來看，增加一層弦桿對于承受拱圈的重量并沒有明顯提升(數值分析不能通過)。