鋼筋混凝土拱橋鋼拱架預壓應力及變形監控分析

劉 軍

（山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

鋼筋混凝土拱橋具有經濟耐用、施工簡捷、跨距優越等特征，在我國高等級公路工程中得到了較為廣泛的應用[1-2]。在鋼筋混凝土拱橋澆筑過程中，通常需采用鋼拱架來進行臨時支撐，以保證混凝土的澆筑質量和施工安全，因此拱架預壓成為了一項必不可少的施工工作[3]。

目前，國內橋梁研究人員針對拱橋拱架預壓進行了不少的研究，如劉博楠[4]等以魚泉灣大橋鋼拱架預壓為例，對比研究了鋼拱架加固前后的穩定性，得到通過增加鋼拱架的片間橫向聯系可以有效地提升鋼拱架的整體穩定性；謝彬[5]通過設計某鋼筋混凝土拱橋拱架預壓試驗，提出了合理的貝雷拱架預壓方式能夠控制非彈性變形；周京[6]以甘蘭坪大橋為工程背景，對其貝雷拱架預壓進行監測分析，得到貝雷拱架預壓控制效果可行。本文以某鋼筋混凝土箱型截面拱橋為研究背景，該橋在懸拼完鋼拱架后，需鋪設模板現澆鋼筋混凝土拱圈，考慮到鋼拱架剛度弱于拱圈截面，且拱架跨度較大，為保證拱橋的施工安全以及混凝土順利澆筑，在該拱橋主拱圈混凝土澆筑之前對鋼拱架進行了預壓試驗，分別對拱架預壓的變形及應力進行了監測分析，以期為同類拱橋鋼拱架預壓工作提供參考與借鑒。

1 工程概況

以某鋼筋混凝土拱橋為研究背景，該拱橋凈跨徑90 m，凈矢高12.857 m，矢跨比1/7。拱橋上部結構主跨采用等截面懸鏈線鋼筋混凝土箱形拱橋，下部采用C25片石混凝土，基礎采用明挖擴大基礎，基礎嵌入中風化基巖均超過1 m。主拱圈為懸鏈線鋼筋混凝土單箱雙室斷面，拱軸系數2.52，箱高2.0 m。主拱圈腹板中肋、腹板邊肋除拱腳處由0.8 m漸變到0.52 m外，其余部分均為0.52 m；頂底板除拱腳處由0.4 m漸變到0.26 m外，其余部分均為0.26 m。該鋼管混凝土拱橋為雙向兩車道，設計荷載標準為公路-1級，橋面凈空為：0.5 m（護欄）+8.0 m（行車道）+0.5 m（護欄）。橋梁總體布置如圖1所示。

圖1 拱橋立面圖（單位：m）

2 預壓方法及流程

2.1 預壓方法

為了真實反映拱架在實際混凝土澆筑過程中的受力情況，同時考慮到施工便捷及施工進度的要求，采用水袋預壓法進行拱架預壓試驗。該拱橋主拱圈按照豎向分環、縱向分段的方式進行混凝土澆筑，同時需嚴格遵循縱橫對稱的施工原則。其中拱圈的豎向分底板和下馬蹄、腹板和橫隔板、頂板和上馬蹄3個環節進行混凝土澆筑。通過參考同類橋梁工程施工經驗[7-8]可知，第1環底板混凝土的最大加載重量一般為鋼拱架預壓加載最大重量，主拱圈在第1環底板混凝土澆筑階段時的最大澆筑荷載重量可歸結為底板+底板模板+馬蹄腹板以及施工臨時荷載等。根據相關規范要求，大橋預壓控制荷載應取1.2倍底板最大澆筑荷載重量。主拱圈縱向分成了5個長度相等的澆筑節段，分別為兩個拱腳節段，兩個中間節段，一個拱頂節段，按照現場實時監測數據分別對各澆筑節段進行往返混凝土澆筑。

拱架試壓預壓工作平臺采用鋼管進行搭設，通過布設一定的水袋來完成預壓，其水袋根據鋼拱架的縱橋向均勻滿布，一共設置了6個水袋，其中每個水袋的尺寸為12 m×6 m×1.4 m（水袋最大裝水高度）=100.8 m3，6個水袋的最大儲水總量604.8 t，滿足拱架預壓荷載要求。鋼拱架上直接用鋼管腳手架搭設預壓平臺，根據荷載集度和預壓加載程序往水袋加水加載，最后滿載預壓荷載需要對水袋加載到目標高度。

2.2 預壓流程

該拱橋于2019年11月30日開始拱架預壓準備工作，2019年12月20日完成預壓平臺搭設，同時立即開始水袋布置及加載。水袋加載分3次進行，第一次為加載所有水袋至1.11 m處，第二次為加載所有水袋至1.22 m處，第三次為加載所有水袋至1.33 m處。整個水袋在12月24日加滿，靜置一段時間后再安排測試，等變形測試結果穩定后，隨即卸掉水袋內的水，即完成整個預壓試驗過程。整個預壓試驗過程于12月25日即拱架變形完成恢復后結束。拱架預壓試驗順序如表1所示。

表1 拱架預壓試驗順序

其中加載順序1—6的加載工況為100%重量預壓，水袋加載到1.11 m處；加載順序7—12的加載工況110%重量預壓，水袋加載到1.22 m處；加載順序13—18的加載工況為120%重量預壓，水袋加載到1.33 m處；加載順序19的加載工況為安裝加載順序反向進行卸載。預壓加載順序兩岸嚴格按照對稱順序進行，拱圈底板混凝土澆筑順序與水袋注水加載順序基本相同。

3 拱架預壓應力及變形監控分析

鋼拱架預壓過程中需要對鋼拱架的應力及變形進行監測及評估，同時需與計算值進行對比分析，用來判斷拱架是否能夠正常地工作。從2019年12月20日至12月25日的水袋加載過程中，分別對鋼拱架控制截面的變形及應變進行監測。

3.1 預壓過程線形監測

為掌握拱架預壓過程中變形的彈性規律，以確保鋼拱架的結構變形安全，需要在拱架預壓試驗加載前，采用TOPCON-GTP3002LN全站儀觀察預壓試驗各工況下鋼拱架在L/8、L/4、3L/8、L/2、5L/8、3L/4、7L/8截面處的撓度并進行測量，不斷跟蹤預壓過程中各關鍵截面測點的變形軌跡與變形量。

通過對變形監測數據整理得到鋼拱架在120%滿載預壓荷載作用下，各變形測點的最大變形值、彈性變形值、非彈性變形值、理論彈性變形值如圖2所示。

圖2 拱圈關鍵截面測點變形

由圖2可知，在120%滿載預壓荷載作用下，鋼拱架最大彈性變形發生于拱頂L/2截面處，其最大彈性變形為4.9 cm，小于理論計算值5.3 cm，滿足《公路橋涵施工技術規范》JTG/TF50—2011中技術指標的要求。其他各關鍵截面測點的彈性變形也均小于理論計算值，說明了鋼拱架的實際剛度大于理論剛度，反映出拱架的安裝精度和安裝質量較好，鋼拱架實際剛度滿足要求。

3.2 預壓過程應力監測

為掌握拱架預壓過程中應力的變化規律，選取拱腳截面、1號扣索截面、L/4截面及拱頂截面共7個斷面作為拱架預壓應力測試斷面，具體拱架應力測試截面如圖3所示。其中2-2和6-6截面（1號扣索截面），在每個截面各選取2片貝雷架于上下弦桿處均布置一個應力監測點；4-4（拱頂截面）選取2片貝雷架于上下弦桿處均布置一個應力監測點；1-1和7-7截面（拱腳截面）選取中間片貝雷架在上下弦桿處均布置一個應力監測點；3-3和5-5截面（L/4截面）選取中間片貝雷架在上下弦桿處均布置一個應力監測點，一共布置20個應變傳感器，各傳感器編號對應截面位置如表2所示。

表2 傳感器安裝截面位置

圖3 拱架應力測試截面

通過對應力實際監測數據整理，得到鋼拱架在120%滿載預壓荷載作用下各應力監測截面實測應變值如圖4所示。

由圖4a可知，在滿載預壓荷載作用下，鋼拱架7-7截面下弦桿處實測應變值最大，1-1截面下弦桿處實測應變值最小。整個拱圈各關鍵測點的初始應變值均大于測試值，其中4-4截面上游榀下弦桿處的應變測試值與初始值差距最小，而6-6截面上游榀上弦桿處應變測試值與初始值差距最大。由圖4b可知，整個鋼拱架在滿載預壓荷載作用下均處于受壓狀態，在各關鍵測點中僅2-2截面上游榀下弦桿的應變差值略高于理論計算值，而其余測點應變差值均不同程度地高于其理論計算值，說明鋼拱架實際強度較高；主拱圈最大實測應變為605 με，根據應力-應變關系可知應力為121 MPa，遠小于Q345鋼材的屈服強度，且實測應變值與理論應變值接近，反映出鋼拱架的強度滿足實際工程要求。

圖4 拱圈關鍵測點應力值

4 結論

通過對某鋼筋混凝土拱橋拱架預壓過程中的拱圈關鍵點進行變形和應變監測，得出以下結論：

a）在滿載預壓荷載作用下，拱頂的最大彈性變形為4.9 cm，小于理論計算值5.3 cm，且其他位置變形也均小于理論值，故鋼拱架實際剛度大于理論計算值，表明該鋼拱架剛度滿足要求。

b）主拱圈最大實測應變為605 με，根據應力-應變關系可知應力為121 MPa，遠小于Q345鋼材的屈服強度，且實測應變值與理論應變值接近，反映出鋼拱架的強度滿足實際工程要求。

c）綜上所述，該鋼筋混凝土拱橋鋼拱架的預壓滿足預壓方案要求，可進行下一步主拱圈底板混凝土澆筑施工，且底板混凝土澆筑過程中需繼續對鋼拱架進行監測，特別是鋼拱架的變形和應力進行監測，同時加強對鋼拱架的鉸頭和拱段連接桿日常檢查。