懸拼鋼拱架預壓試驗的應用分析

黃世順

湖南致力工程科技有限公司 湖南 長沙 410000

在典型山區地形，地形主要以高山、河谷為主，拱橋由于其跨越能力大、施工相對簡單、與峽谷環境協調性較好等優點，近年來大量拱橋被應用于橋梁建設的工程實踐中。在施工過程中受建設場地地形的限制，難以應用常規安裝方法，纜索吊裝系統懸拼鋼拱架由于其自身特點，近年來被廣泛應用于鋼筋混凝土拱橋的施工。

1 懸拼鋼拱架預壓試驗的重要性

懸拼鋼拱架是一種在橋梁工程中廣泛應用的結構形式，其獨特的結構形式和優越的性能使得其在大跨度橋梁工程中得到了廣泛的應用。懸拼鋼拱架在橋梁工程中承受重要的荷載，如車輛荷載、風荷載、溫度荷載等，因此需要進行預壓實驗，以驗證其結構的穩定性和安全性，保證其在實際工程中的使用安全性。懸拼鋼拱架預壓實驗是指在鋼拱架完成后，在荷載作用下進行一定的預壓，使其達到穩定的狀態，以確保其承受荷載時不會出現變形或破壞。懸拼鋼拱架預壓實驗的重要性主要表現在以下幾個方面：

1.1 驗證結構的穩定性

懸拼鋼拱架作為一種重要的結構形式，在承受荷載時需要保證其結構的穩定性，否則容易出現結構破壞或者變形。通過預壓實驗可以驗證懸拼鋼拱架的結構穩定性，評估其在實際工程中的使用安全性。

1.2 提高結構的承載能力

懸拼鋼拱架預壓實驗可以通過施加一定的預壓力，提高結構的承載能力，增強其抗彎扭性能和抗震能力，提高結構的安全性。

1.3 降低結構的風險

懸拼鋼拱架預壓實驗可以檢驗結構在承受荷載作用下的穩定性，避免結構出現破壞或者變形，降低結構的風險，保證工程安全。

1.4 為工程設計提供參考

懸拼鋼拱架預壓實驗可以提供結構的力學參數和承載能力等方面的數據，為工程設計提供參考，保證工程的安全性和可靠性。

2 懸拼鋼拱架預壓實驗原則

懸拼鋼拱架是一種常用的大跨度鋼結構，其預壓實驗是確定鋼拱架是否符合設計要求和性能的重要步驟之一。下面是懸拼鋼拱架預壓實驗的原則：

實驗應在設計要求和規范的指導下進行，遵循安全、可靠、科學、合理的原則，確保實驗結果的準確性和可靠性。實驗前應進行充分的準備工作，包括準備必要的實驗設備、材料和工具，制定實驗方案和實驗流程，確保實驗的順利進行。

實驗應根據設計要求和規范進行，包括實驗荷載的大小和方向、實驗時間、記錄實驗數據等方面。同時，應根據實驗結果進行必要的調整和修改。實驗中應注意安全，確保實驗人員和設備的安全。在實驗過程中，應注意實驗環境的保護，避免對周圍環境造成污染或破壞。實驗結束后，應對實驗數據進行分析和處理，計算得到拱架的預壓力大小和實際變形情況。同時，應根據實驗結果進行必要的修正和調整。實驗結束后，應對實驗設備進行檢查和維護，確保設備的正常運行和使用壽命。

3 工程概況

某鋼筋混凝土拱橋跨越山溝，主橋布置為70m鋼筋混凝土箱型拱橋，拱圈為等截面懸鏈線，矢跨比為1/5.5，拱軸系數m＝1.756，為單箱二室斷面。主拱圈是以鋼拱架為支撐結構，在其上現澆施工的，采用類圓弧線貝雷梁拱架作為主拱圈現澆支架，拱架由貝雷梁、加強弦桿、支撐片、梯形鋼桁架、拱腳端桁架、平面橫連等組成。

主拱圈混凝土濕重為852t，預壓荷載按此荷載的1.2倍計算，水箱加載重量應扣除水壓支架鋼管及水箱的重量。由于拱圈為懸鏈線，水箱中水位依據水箱布設位置依次調整，水箱加載原則為兩按對稱加載，先拱頂、后兩側拱腳，然后依次對稱加載[1]。

4 預壓過程分析計算

鋼拱架懸拼合攏后，為驗證鋼拱架的安全性，在澆筑主拱圈前，采用水箱預壓的方式，模擬施工荷載及結構自重等作用，水箱及水箱支架重量等效于主拱圈自重及施工荷載。

鋼拱架預壓試驗計算采用MIDAS/Civil建立空間模型，采用梁單元模擬橋塔構件進行結構承載能力計算分析，計算中主要考慮鋼拱架自重、施工荷載。水箱及水箱支架以外荷載的形式加于鋼拱架上，沿鋼拱架縱橋向共布置8個小水箱，在模型上分別以集中力作用于鋼拱架上，作用點為各水箱重心處。

計算工況：工況1拱架自重，工況2拱肋拱腳混凝土澆筑，工況3調平支架及模板等重量，工況4拱架拱腳段預壓，工況5拱頂澆筑，工況6中間段澆筑[2]。

表1 水箱滿載時鋼拱架應力計算值

表2 水箱滿載時鋼拱架撓度計算值

圖1 水箱預壓試驗鋼拱架豎向位移圖

5 預壓試驗分析

水箱加載順序依據主拱圈澆筑順序，從兩岸拱腳依次向跨中對稱施加荷載，滿載作用下應力及撓度分析如下。

應力值按單向受力狀態進行處理，即σ=Εε，E取規范推薦值，對于Q345鋼，彈性模量E=206GPa，抗拉、抗壓和抗彎強度設計值σ＝310MPa。

圖3 上弦實測應力與計算應力對比曲線圖

圖4 下弦實測應力與計算應力對比曲線圖

表3 鋼拱架應力實測值與計算值比較

表4 鋼拱架撓度實測值與計算值比較

圖5 實測彈性撓度與計算撓度對比曲線圖

通過檢測數據的比較分析，實測應力均小于計算應力，同時小于材料的屈服強度，具有較大的安全儲備，說明在水箱預壓過程中，拱架強度滿足要求；實測彈性撓度均小于計算撓度，且最大值為跨中截面的8.8mm，說明了實橋剛度比設計剛度稍大，具有一定的安全儲備，水箱預壓過程中拱架剛度條件滿足要求，但左側撓度較右側撓度整體規律上偏大，說明加載過程中有偏壓的現象，在施工監控過程中尤其要加強鋼拱架拱軸線橫向偏位情況的監測[3-4]。

6 結語

通過對該橋鋼拱架預壓試驗的計算和應用分析，可對山區特殊地形條件下的鋼拱架作為現澆支架的整體穩定和結構受力性能問題提供技術參考，對于鋼拱架及支架的非彈性變形具有重要作用，同時對提高施工質量、施工安全、降低施工過程成本具有積極意義，為后期山區大跨徑拱橋的使用積累了相關設計和施工經驗，可進行廣泛推廣。