大跨徑懸臂澆筑拱橋承載能力研究

馮作鵬

摘要 為保證大跨徑懸臂澆筑拱橋承載能力分析的全面性和可靠性，以水落河特大橋工程為例，采用靜載試驗、動載試驗以及有限元建模的方法進行大跨徑懸臂澆筑拱橋承載能力試驗；計算橋梁結構的結構校驗系數、相對殘余應變、沖擊系數以及施工階段下的臨界荷載。試驗結果表明：上述試驗方法均能夠全面完成大跨徑懸臂澆筑拱橋的承載能力分析，確定了橋梁結構性能情況。

關鍵詞 大跨徑；懸臂澆筑拱橋；承載能力

中圖分類號 U448文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）12-0055-03

0 引言

懸臂澆筑指的是一種橋梁施工方法，其主要是在橋墩兩側搭建工作平臺，并從兩端開始，通過逐段的方式向跨中懸臂澆筑混凝土梁體，并且在澆筑過程中，需保證澆筑的平衡性[1]，同時在澆筑過程中逐段施加預應力，以此保證澆筑后梁體的承載性。大跨徑懸臂澆筑拱橋則是采用懸臂澆筑施工工藝完成施工的拱橋，其拱圈或拱肋通常由混凝土或鋼材等材料構成[2]；其特點是利用掛籃或吊裝系統，將拱圈或拱肋分成若干個節段，逐段澆筑或吊裝合龍，最終形成完整的拱橋結構；該拱橋具備跨越能力強等優點[3]。隨著交通量的不斷增加，大跨徑懸臂澆筑拱橋施工后，其在應用時的承載力尤為重要。但是大跨徑懸臂澆筑拱橋在施工過程中，其使用的施工材料、施工工藝、施工質量等因素均會影響其施工后的承載力[4]。因此，開展大跨徑懸臂澆筑拱橋承載能力的研究，是分析橋梁結構性能、使用壽命的基礎，同時也是進行橋梁結構優化的依據。

該文為研究大跨徑懸臂澆筑拱橋承載能力，以水落河特大橋橋梁工程為例，采用相關測試方法進行承載力測試，以分析其承載情況。

1 大跨徑懸臂澆筑拱橋承載能力分析

1.1 工程概況

水落河特大橋橋梁采用左右幅分幅設置，左、右幅橋梁橋型布置均采用“（9×40）m簡支T梁+335 m上承式鋼筋混凝土懸臂澆筑拱橋+（25×40）m簡支T梁”；中間以橫隔板相連；拱上構造由混凝土立柱、蓋梁組成拱上排架，立柱采用雙柱墩，蓋梁采用“T”型預應力混凝土蓋梁。主橋橋面梁采用31.75 m跨鋼-組合梁，即“預制I形預應力梁+波折鋼-現澆組合橋面板”的形式，I形梁間距為2.9 m、高2.15 m，波折鋼-現澆組合橋面板由底部的波折鋼板、混凝土板和鋼筋共同結合而成。引橋上部結構均采用40 m預應力混凝土簡支T梁，下部結構標準段采用雙柱墩，1～6#墩采用三柱墩，墩高大于21 m的墩柱采用空心薄壁墩，基礎均采用樁基礎，橋臺采用重力式U形橋臺。主橋I形梁及引橋T梁下均設置板式橡膠支座，拱圈及肋間橫隔板采用C80高韌性鋼纖維混凝土，主橋上部預制梁及引橋40 m T梁、主橋立柱頂蓋梁采用C50混凝土，主橋組合橋面板采用C50鋼纖維混凝土，拱上立柱及墊梁采用C40混凝土。

為分析該橋梁工程的承載力，進行橋梁荷載試驗。該試驗跨的立面結構如圖1所示。

1.2 承載能力試驗的目的

對該橋梁工程進行承載力試驗，是通過相應的試驗方法進行橋梁在荷載狀態下的性能進行分析和判斷，以了解橋梁結構的基礎情況，并分析橋梁主體結構控制截面應力、撓度和開裂狀況等性能指標[5]，判斷橋梁的結構是否滿足工程標準、施工質量是否達標、能否保證運營階段的安全性。該文主要從靜載試驗、動載試驗以及有限元分析等三個方面進行大跨徑懸臂澆筑拱橋的承載能力分析。

1.2.1 靜載試驗

無鉸拱靜載試驗的主要試驗工況是拱腳最大負彎矩工況、拱頂最大正彎矩工況；加載工況包括偏載加載工況和中載加載工況。應變測試選擇試驗跨拱腳截面、拱頂截面[6]；無鉸拱撓度測試選擇八分點截面、拱頂截面。

在進行靜載試驗時，測點的確定應按照《公路橋梁荷載試驗規程》（JTG/T J21-01—2015）的相關標準完成；撓度測試應選擇跨中最大正彎矩截面，同時測試橋跨八分點截面；撓度測試截面橫向各個拱肋布置1個點，縱向共7個截面，監測點數量共計14個。撓度測試的監測點布置示意圖如圖2所示。

靜載試驗采用的是載重車，每輛車荷載為400 kN。該文采用結構校驗系數和相對殘余應力作為靜載試驗的評定標準[6]，兩者詳情如下所述：

（1）結構校驗系數ξ。ξ是橋梁荷載試驗獲取的數據結果和理論結果的比值，其計算公式為：

式中，Se——實測彈性變形結果；Sc——理論彈性變形結果。

如果ξ<1，表示橋梁結構承載力較好；反之則承載力較差。

（2）相對殘余應變Δχ。Δχ是實測殘余位移Sp和理論殘余位移Sq的比值，其計算公式為：

Δχ的值越小，表示橋梁的抗變形能力越佳，該文工程要求Δχ<20%。

1.2.2 動載試驗

動載試驗是采取一定的措施，使橋梁結構產生振動，并測定橋梁結構在動載作用下的各種動態參量[7]，如振型、阻尼比、固有頻率、行車沖擊系數、加速度或動撓度等，進而綜合評價橋梁承載能力的試驗方法，其更接近橋梁自然應力狀態下的受力情況。

該文設置車輛在不同的設定車速下，通過拱橋橋面，測試車輛在橋面上行駛時主拱圈的動位移曲線，并依據該曲線結果計算沖擊系數，其公式為：

式中，μ——設計的沖擊系數；Smax、Smean——測點的最大撓度值，前者對應動載作用下，后者對應靜載作用下。

該文試驗時采用的車速分別為10 km/h、20 km/h、30 km/h。

1.2.3 有限元分析

為全面分析大跨徑懸臂澆筑拱橋承載能力，該文采用專用空間分析程序Midas Civil進行建模計算分析，全橋共離散為2 947個節點、3 316個梁單元。構建的大跨徑懸臂澆筑拱橋有限元模型如圖3所示：

模型的邊界條件設定：支座的模擬采用一般簡支支撐，左側分別為DX、DY、DZ三個方向的平動自由度，右側分別為DY、DZ兩個方向的平動自由度。

構建的有限元模型中，材料的相關參數如下所述：

（1）C80混凝土，容重為26 kN/m3，彈性模量為3.80×104 MPa。

（2）C50混凝土，容重為26 kN/m3，彈性模量為3.45×104 MPa。

（3）C40混凝土，容重為26 kN/m3，彈性模量為3.25×104 MPa。

（4）瀝青混凝土，容重為24 kN/m3。

（5）橋面系：考慮“防水層+8 cm厚瀝青混凝土”。橋面鋪裝、欄桿計算時不考慮其對橋梁上抗彎剛度的貢獻，僅計入質量影響，按每延米計入。

依據該模型分析大跨徑懸臂澆筑拱橋在不同澆筑施工階段下的承載能力，該文僅以其中的7個施工階段為例，如表1所示：

2 結果分析

2.1 靜載試驗分析結果

依據靜載試驗，獲取橋梁不同測點位置在荷載下的結構校驗系數和相對殘余應變的試驗結果，如表2所示。由于篇幅有限，結果僅呈現其中任意8個測點的結果。

依據表2試驗結果可知：在荷載作用下，結構校驗系數的結果均在0.74～0.86之間，橋梁結構強度存在一定富余量，滿足實際運營需求；并且各個測點的最大殘余應力為6.8%，均未超過20%的標準。因此橋梁截面受力狀態較好，滿足相關規范標準。

2.2 動載試驗分析結果

依據動載試驗，獲取不同車速下的沖擊系數結果，并將實際計算結果和理論結果進行對比，判斷其動載情況，測試結果如表3所示。

依據表3試驗結果可知：在不同的車速下，橋梁測試獲取的沖擊系數值均在理論值范圍內，未超過0.05，最大沖擊系數結果僅為0.03。因此車輛通行對于橋梁的沖擊較小，橋梁的平穩性良好。

2.3 有限元分析結果

依據有限元模型分析不同懸臂施工階段下的臨界荷載結果，并將該結果和相關規范標準（大于4）進行對比，分析其承載能力，測試結果如圖4所示：

依據圖4分析結果可知：在不同懸臂施工階段下，臨界荷載系數均在42.3以上，遠超規范標準結果。因此橋梁施工過程中的穩定較好，能夠最大限度保證橋梁的承載能力。

3 結論

拱橋的承載能力是保證橋梁穩定運行的基礎，同時也是橋梁結構性能的核心標準。大跨徑懸臂澆筑拱橋作為橋梁工程中的一種典型橋梁結構，其在施工過程中監控難度較大，并且容易受到環境影響。該文以實際工程為例，對大跨徑懸臂澆筑拱橋的承載力進行分析，判斷該橋梁的結構性能，通過靜載試驗、動載試驗能夠全面、有效掌握橋梁的受力情況和工作狀態。

參考文獻

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[3]錢博. 大跨徑橋梁懸臂澆筑智能液壓聯動預壓施工關鍵技術研究[J]. 科學技術創新， 2023（6）： 149-152.

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