大跨度上承式懸澆混凝土拱橋主梁架設順序研究

中圖分類號：U448.51文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.033

文章編號：1673-4874（2025）01-0110-04

0 引言

拱橋在我國歷史悠久，是重要的橋梁類型之一。隨著現代拱橋施工技術的不斷發展，衍生出鋼管混凝土拱橋、鋼箱桁架拱橋、鋼筋混凝土拱橋等類型拱橋?；炷凉皹蚰艹浞掷没炷敛牧咸匦?，且維護成本低、使用壽命長、結構剛度大、能夠承受較大活載以及動載，因而被廣泛應用在高速公路和鐵路中，在山區及地質條件優越的地形中具有很強的競爭力[1-2]。其中大跨度鋼筋混凝土拱橋按照無支架施工方法可主要分為勁性骨架混凝土拱橋和懸臂澆筑混凝土拱橋。兩者均需待主拱圈合龍后方能施工拱上立柱和橋面系，此時雖然主拱圈已經成型，但不同的主梁架設方案仍會影響結構的應力、位移及穩定性，且主拱圈的位移又會反作用于立柱和主梁。因此，可以通過合理的主梁架設順序以改善結構的受力情況，并為結構在后續運營階段提供足夠的應力和位移儲備。

目前，有部分學者已經對拱橋橋面系的架設順序展開了一定的研究。李玉忠、張博等3-4]依托某鐵路勁性骨架鋼管混凝土拱橋，對原有的拱上立柱和主梁施工順序進行優化設計，發現拱上建筑的施工順序對主拱圈的變形有很大的影響，且改變拱上建筑的施工順序可以解決拱頂上冒的現象。李獻等5研究表明合理的拱上建筑加載順序不僅可以改善結構的變形和受力狀態，還可以大幅度縮短施工時間。雷盼等以某大跨渡槽為工程背景，對比分析5種拱上建筑加載順序方案，找到了較優加載方案并取得預想效果。王發正等對比分析4種某大跨徑上承式鋼管混凝土橋拱上建筑施工順序方案并確定較優的施工順序，滿足結構施工安全且有效縮短工期。

綜上，上述學者大多基于勁性骨架混凝土拱橋和鋼管混凝土拱橋進行研究，分析不同拱上建筑的施工順序下的結構內力，進而找到較優的方案，但對懸臂澆筑混凝土拱橋這一橋型少有研究。三者主要的差距在于懸臂澆筑混凝土拱橋在施工主拱圈時由扣錨索承載拱圈重量和施工荷載，需要嚴格控制拱圈混凝土的拉應力不超限以及合龍后結構具有較小初始應力，為后續施工拱上建筑提供足夠的應力儲備，還需保證拱上建筑施工時結構不會產生大變形而造成拱圈混凝土拉應力超限。鑒于此，本文以某懸臂澆筑混凝土拱橋為工程背景，分析三種不同主梁架設方案下的應力、變形和穩定性，并基于“以變形控制為主，應力控制為輔”的原則確定較為合理的主梁架設方案，以期為同類型橋梁提供參考。

工程背景

主橋為一座計算跨徑335m的上承式鋼筋混凝土懸臂澆筑拱橋，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數為1.8，矢跨比為 0.24 。主拱圈采用左、右幅分幅設計，單幅采用兩個單箱單室結構拱肋，兩肋間以橫隔板相連。各拱肋均為八邊形單箱單室結構，橫向采用等寬 4m ，箱高為 ，標準頂、底板厚度為 0.4m ，腹板厚度為0.3m，拱肋采用C80高韌性鋼纖維混凝土。主橋橋面系采用跨徑為 11×31 75m的 C50 預應力混凝土簡支I形梁 + 組合橋面板，拱上立柱采用C40鋼筋混凝土結構，左右幅橫向均為雙柱墩。大橋橋型布置如圖1所示。

2 主梁架設方案設計

該項目采用斜拉扣掛體系進行主拱圈懸臂澆筑，總體分為三個步驟8：澆筑拱圈混凝土節段、張拉節段扣錨索、移動掛籃。施工過程中主拱圈的重量大部分由扣錨索以及扣塔承擔，在主梁架設階段可利用前面施工主拱圈的纜索系統進行施工，大幅縮短施工時間和降低成本。此施工階段在保證結構安全的前提下，計算不同主梁架設順序下結構的應力、變形和穩定性，確定較優的主梁架設順序，可以改善結構的受力以及變形。

根據橋面系和立柱的布置形式擬定了三種不同的主梁架設順序（見表1），每種主梁架設方案兩岸均對稱安裝，其中主梁編號如圖1所示。方案1為 L/4 處分別同時往邊跨和中跨進行架設，如圖2所示；方案2為從邊跨依次往中跨架設主梁，如圖3所示；方案3為從中跨依次往邊跨架設主梁，如圖4所示。

3有限元分析模型

利用有限元分析軟件MidasCivil建立主梁架設模型，對主梁的不同架設方案進行分析。模型中橫隔板、立柱、蓋梁、主梁以及主拱圈均采用空間梁單元模擬；拱圈混凝土和管內混凝土的收縮徐變根據我國的《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG3362一2018）相關條文進行定義9；強度發展曲線采用的是歐洲混凝土委員會與國際預應力混凝土協會制定的標準CEB-FIP（2010）進行定義。全橋空間有限元模型見圖5，共3314個節點、3602個單元。拱腳位置以及交界墩墩底采用一般支承中的全固結進行約束，主梁和拱上立柱采用彈性連接中的剛性。

根據表1建立三種主梁架設方案的有限元模型，對比分析不同方案在施工過程中的穩定性以及不同方案下主拱圈中具有代表性的5個控制截面的應力和變形，即拱腳截面、 L/8 截面、2L/8截面、3L/8截面、拱頂截面。

4結果分析

4.1應力計算結果

不同的主梁架設順序會使結構產生不同的應力，為保證施工過程中主拱圈混凝土不產生拉應力或拉應力處于規定的范圍以內。提取并分析各方案的主拱圈混凝土拱腳截面、L/8截面、2L/8截面、3L/8截面、拱頂截面的應力情況如圖6所示（圖中正負號規定為：壓應力為負，拉應力為正）。

根據圖6可知，各方案的拱圈混凝土關鍵截面在施工過程中均產生壓應力，沒有出現拉應力。由此可見，三種方案的拱圈混凝土具有足夠的壓應力儲備，以抵抗施工中產生的拉應力增量。此外，方案1拱圈拱腳截面的壓應力變化區間為 16. 3MPa ，方案2為 方案3為1 ，漲幅分別為 同理可以計算三個方案的拱圈 L/8 截面的壓應力漲幅分別為1.6MPa、2.0 MPa 、2.6MPa；L/4 截面的壓應力漲幅分別為3.3MPa、 、3.6MPa；3L/8截面的壓應力漲幅分別為 、

4.3MPa、 4.2MPa ；拱頂截面的壓應力漲幅分別為4.9MPa.5.2MPa.5.0MPa 由此得知，方案1的拱圈各關鍵截面壓應力變化區間最小，說明該方案相較于另兩種方案施工下拱圈混凝土產生的突變量小，應力變化均勻，其次是方案3，最后是方案2。在主梁架設施工全過程中，三種方案產生的最大壓應力為 ，發生在方案2的拱腳截面，滿足主拱圈C80混凝土抗拉壓強度設計值 ，此時最低還具有50. 9% 的壓應力儲備量。

4.2位移計算結果

三種主梁架設方案下主拱圈 L/8 截面 截面、3L/8截面、拱頂截面的位移變化曲線如圖7所示（圖中正負號規定為：產生向下的變形為負，產生向上的變形為正）。

由圖7可知，方案3中拱圈 L/8 截面 截面和拱頂截面的位移在施工過程中均是先增大后減小 截面的位移為先減小后增大；方案1和方案2的各關鍵截面在施工過程中位移變化趨勢類似，其中 L/8 截面、3L/8截面和拱頂截面的位移在施工過程均是先增大后減小，2L/8截面的位移為先減小后增大。在主梁全部施工完成后，方案1和方案2最終的位移值基本相同，方案3與方案1、方案2的位移值相差也不大，最大為拱頂截面的 ，最小為2L/8截面的 1m m ；基于位移值的變化范圍可以得出，方案3的各關鍵截面位移均沒有發生反向，而方案1和方案2的 L/8 截面和拱頂截面的位移均發生了反向，即由開始的產生向下變形到最后的產生向上變形，或由開始的產生向上變形到最后的產生向下變形，這使得混凝土處于反復變形的狀態，容易造成混凝土開裂，同時降低結構的應力儲備。

4.3施工階段穩定性結果分析

利用MidasCivil軟件計算三種主梁架設方案在施工過程中的屈曲模態特征值，由此得到各方案的穩定系數變化曲線如圖8所示。

與位移變化曲線類似的是，方案1和方案2在施工過程中結構的穩定系數變化趨勢類似，在施工完成后兩方案的結構穩定系數相同。在主梁架設施工過程中，方案1的結構穩定系數發生了突變，而方案2和方案3隨著施工的進行均勻變化。最終施工完成后，方案3的結構穩定系數為9.07，高于方案1和方案2的8.88，說明采用方案3進行施工后，結構的最終剛度較前兩種方案大，結果更優。

5結語

本文以計算跨徑為335m的上承式懸臂澆筑混凝土拱橋為工程背景，利用有限元分析軟件MidasCivil建立三種主梁架設施工模型，計算分析不同方案下主拱圈的應力、位移以及結構的穩定系數，得出以下主要結論：

（1）三種主梁架設方案下，主拱圈混凝土未產生拉應力，其壓應力均滿足其規范規定的抗壓強度設計值。施工完成后，主拱圈混凝土的關鍵截面最低還具有 50.9% 的壓應力儲備量，可用于抵抗后續運營階段產生的應力增量。

（2）三種方案在最終施工完成時結構產生的位移值相差較小，但在施工過程中方案1和方案2的 L/8 截面和拱頂截面的位移發生了反向，使混凝土經歷反復變形，易造成混凝土開裂以及降低結構的應力儲備，方案3各關鍵截面的位移在施工過程中均沒有發生反向。

（3）施工過程中，三種方案的結構穩定系數整體呈逐漸變小的趨勢，但方案2和方案3變化較為均勻沒有發生突變，施工完成后方案3的結構穩定系數最高，其結構的剛度也就最大。

（4）對各種主梁架設方案進行計算分析，基于“變形控制為主，應力控制為輔”的原則，最終確定方案3為較優的施工順序，即""2→T1，從中跨往邊跨的架設方案。

參考文獻

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