劉 俊

(保靖縣交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督站， 湖南 保靖 416500)

跨水域或峽谷修建大跨徑拱橋，大型纜吊設(shè)備受場(chǎng)地條件等限制難以進(jìn)駐施工場(chǎng)區(qū)時(shí)，選擇整體性好、裝配化程度高、安裝方便的貝雷拱架現(xiàn)澆拱圈施工方案具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。由于標(biāo)準(zhǔn)貝雷桁片高度只有1.5 m，剛度較小，受力學(xué)性能制約，承荷能力有限，一般采用分帶、分環(huán)加載方式，分環(huán)上多分為二環(huán)或三環(huán)，可有效減輕貝雷拱架負(fù)荷，確保貝雷拱架縱橫向穩(wěn)定性及施工安全。

國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)貝雷拱架在拱橋施工中應(yīng)用有詳細(xì)研究，文獻(xiàn)[1]結(jié)合工程實(shí)例，介紹了貝雷架在大跨徑石拱橋施工中的應(yīng)用；文獻(xiàn)[2]通過(guò)大跨度箱型拱施工實(shí)例，論述了貝雷梁在大跨度箱型拱施工中方便、靈活、快捷等應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)；文獻(xiàn)[3]介紹了以貝雷梁拱架為支架的拱肋分段、分環(huán)施工技術(shù)，并采用有限元仿真技術(shù)和經(jīng)典力學(xué)，分析貝雷梁鋼拱架在施工過(guò)程各工況下的力學(xué)性能。

主拱圈采用貝雷拱架分環(huán)加載施工過(guò)程中，先期施工的分環(huán)混凝土為環(huán)形拱結(jié)構(gòu)時(shí)具有一定剛度，其剛度與貝雷拱架剛度相比不能被忽略，由此產(chǎn)生了新施工加載的混凝土荷載分配給已成環(huán)拱體和貝雷拱架的比例問(wèn)題，即在拱架設(shè)計(jì)中如何考慮拱架與已施工成環(huán)拱體的聯(lián)合作用問(wèn)題。相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)貝雷拱架與拱圈已成環(huán)拱體聯(lián)合承力的特性缺乏深入研究，本文結(jié)合甘蘭坪大橋110 m跨徑箱肋拱橋主拱圈采用無(wú)中間支撐貝雷拱架分三環(huán)現(xiàn)澆施工實(shí)例，分析主拱圈分環(huán)加載拱環(huán)與貝雷拱架聯(lián)合作用中拱環(huán)的貢獻(xiàn)程度，充分發(fā)揮拱環(huán)的作用，減少貝雷拱架用量，避免盲目分環(huán)。

1 工程概況

甘蘭坪大橋?yàn)楸＞高w清公路上一座新建的跨酉水河支流橋梁，為凈跨徑110 m鋼筋混凝土箱肋拱橋，橋?qū)? m，采用無(wú)中間支撐的貝雷拱架進(jìn)行主拱圈現(xiàn)澆施工。主拱圈高度2.5 m，寬度7.2 m，分為2肋，每榀拱肋寬度3.0 m，單箱2室，采用分帶、分環(huán)、分段的方法對(duì)稱(chēng)加載施工。每榀拱肋為一帶，縱向分為12段、以拱頂為對(duì)稱(chēng)每半跨分為6段，主拱圈分3環(huán)施工，第1環(huán)施工高度0.5 m(包括0.3 m厚底板、0.2 m高度腹板)，第2環(huán)施工1.65 m高度腹板，第3環(huán)施工0.35 m厚度頂板。

貝雷拱架為A3鋼材料，全寬7.24 m(左右側(cè)邊貝雷拱片間中距7.04 m)，貝雷架高度1.5 m，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)度3.0 m，橫向設(shè)置14片貝雷拱片，拱片間橫向由花架連接。主拱圈施工加載分環(huán)高度尺寸如圖1，分環(huán)分段加載如圖2，以拱頂為對(duì)稱(chēng)第1環(huán)分段施工次序?yàn)?-1、1-5、1-3、1-2、1-6、1-4，第2環(huán)、第3環(huán)分段施工次序與第1環(huán)相同。

圖1 主拱圈施工分環(huán)加載圖(單位： cm)

圖2 主拱圈施工分環(huán)分段加載圖(單位：cm)

2 主拱圈成環(huán)階段拱架受力分析

2.1 貝雷拱架材料力學(xué)特性

貝雷拱架采用A3鋼材，根據(jù)《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 025—86)，A3鋼貝雷拱片桿件容許軸向應(yīng)力為140 MPa?？紤]貝雷拱架多次周轉(zhuǎn)使用強(qiáng)度折減系數(shù)0.75、容許應(yīng)力提高系數(shù)1.3后，貝雷拱架強(qiáng)度計(jì)算采用的容許軸向應(yīng)力為[σ]=140 MPa×0.75×1.3=136.5 MPa。

2.2 數(shù)值分析模型建立

采用有限元軟件Midas Civil建立基于梁?jiǎn)卧呢惱坠凹芗爸鞴叭臻g有限元模型，共建立節(jié)點(diǎn)9412個(gè)、梁?jiǎn)卧?9 134個(gè)；邊界條件中，剛性支承96個(gè)，釋放梁端約束1 092個(gè)；根據(jù)拱架設(shè)計(jì)加載程序，劃分施工階段數(shù)量49個(gè)(施工步驟)。

2.3 主拱圈第一環(huán)加載拱架受力分析

大橋主拱圈第1環(huán)加載時(shí)，施工荷載全部由貝雷拱架承擔(dān)，計(jì)入拱架自重、主拱圈混凝土等施工荷載后的每片貝雷拱片計(jì)算荷載集度為6.3774kN/m，其中混凝土工程290.3m3，與鋼筋共重7559.9kN，拱架整體重量約1492.1kN，自重系數(shù)取1.15，施工荷載系數(shù)取1.4。主拱圈第1環(huán)施工貝雷拱架如圖3所示。

圖3 主拱圈第1環(huán)施工貝雷拱架簡(jiǎn)圖(單位：cm)

采用Midas Civil軟件進(jìn)行建模分析，主拱圈未加載前，拱架自重工況拱架軸向壓應(yīng)力為23 MPa,第1環(huán)施工完成，拱架軸向壓應(yīng)力達(dá)100 MPa，小于容許應(yīng)力。主拱圈第1環(huán)加載階段理論計(jì)算貝雷桁架桿件最大應(yīng)力見(jiàn)表1。

表1 主拱圈第1環(huán)加載階段拱架最大應(yīng)力MPa施工階段最大拉應(yīng)力最大壓應(yīng)力施工階段最大拉應(yīng)力最大壓應(yīng)力拱架架設(shè)73-23S-1-164-65X-1-193-95S-1-284-84X-1-293-96S-1-385-89X-1-394-97S-1-485-93X-1-496-98S-1-592-93X-1-599-99S-1-692-95X-1-6100-100 表注: S-1-1為主拱圈上游第1環(huán)第1段(拱腳段)澆筑,X-1-6為主拱圈下游第1環(huán)第6段(拱頂段)澆筑。

2.4 主拱圈第2環(huán)、第3環(huán)加載拱架受力分析

采用Midas Civil軟件進(jìn)行建模分析，第2環(huán)施工完成，施工荷載增加12 521.6 kN，每片貝雷拱片計(jì)算荷載集度為13.953 9 kN/m，拱架軸向壓應(yīng)力達(dá)114 MPa；第3環(huán)施工完成，施工荷載增加5 533.5 kN，拱架軸向壓應(yīng)力達(dá)132 MPa。貝雷桁架桿件最大軸向拉應(yīng)力與最大軸向壓應(yīng)力接近，拉應(yīng)力、壓應(yīng)力均未達(dá)到貝雷桁架桿件容許軸向應(yīng)力136.5 MPa。主拱圈第2環(huán)、第3環(huán)施工階段理論計(jì)算貝雷桁架桿件最大應(yīng)力見(jiàn)表2。

2.5 主拱圈加載階段貝雷拱架理論計(jì)算最大軸向應(yīng)力

主拱圈施工加載階段貝雷拱架理論計(jì)算最大軸向應(yīng)力匯總見(jiàn)表3。

表3 施工階段拱架計(jì)算最大軸向應(yīng)力匯總表MPa拱架架設(shè)第1環(huán)第2環(huán)第3環(huán)23100114132

3 工程驗(yàn)證

甘蘭坪大橋主拱圈施工階段拱架應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)布設(shè)在每榀貝雷拱架的拱頂、拱跨1/4、3/4的位置(見(jiàn)圖4)。

圖4 施工階段拱架應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)布設(shè)圖(單位： cm)

根據(jù)主拱圈施工監(jiān)控監(jiān)測(cè)記錄，主拱圈未加載前，拱架自重工況拱架軸向壓應(yīng)力為13 MPa；施工階段，第1環(huán)施工完成，拱架軸向壓應(yīng)力達(dá)108 MPa；第2環(huán)施工完成，拱架軸向壓應(yīng)力達(dá)125 MPa；第3環(huán)施工完成，拱架軸向壓應(yīng)力為106 MPa。施工階段拱架實(shí)測(cè)最大軸向應(yīng)力數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，最大軸向應(yīng)力匯總見(jiàn)表5。

表4 施工階段拱架實(shí)測(cè)最大軸向應(yīng)力MPa施工階段最大拉應(yīng)力施工階段最大拉應(yīng)力施工階段最大壓應(yīng)力拱架架設(shè)-13S-1-1-12S-2-1-86S-3-1-105S-1-2-55S-2-2-86S-3-2-106S-1-3-50S-2-3-79S-3-3-105S-1-4-59S-2-4-72S-3-4-108S-1-5-60S-2-5-91S-3-5-105S-1-6-78S-2-6-86S-3-6-105X-1-1-39X-2-1-89X-3-1-104X-1-2-46X-2-2-92X-3-2-106X-1-3-49X-2-3-98X-3-3-104X-1-4-38X-2-4-97X-3-4-105X-1-5-90X-2-5-119X-3-5-107X-1-6-108X-2-6-125X-3-6-106

表5 施工階段拱架實(shí)測(cè)最大軸向應(yīng)力匯總MPa拱架架設(shè)第一環(huán)第二環(huán)第三環(huán)13108125106

4 拱架與已成環(huán)拱體聯(lián)合承力分析

4.1 拱架與已成環(huán)拱體聯(lián)合承力相關(guān)性

施工階段加載拱架實(shí)測(cè)應(yīng)力與拱架計(jì)算應(yīng)力相關(guān)曲線(xiàn)見(jiàn)圖5。

圖5 施工階段加載拱架實(shí)測(cè)應(yīng)力與拱架計(jì)算應(yīng)力相關(guān)曲線(xiàn)

通過(guò)對(duì)各個(gè)階段應(yīng)力實(shí)測(cè)值與理論值進(jìn)行對(duì)比分析，可以看出：

1)拱架架設(shè)完成，拱架軸力實(shí)測(cè)值比理論值低43.5%；主拱圈第1環(huán)施工完成，拱架軸向應(yīng)力實(shí)測(cè)值與容許應(yīng)力限值比率為79.1%，與理論分析結(jié)果的73.3%基本一致；主拱圈第2環(huán)施工完成，拱架軸向應(yīng)力實(shí)測(cè)值與容許應(yīng)力限值比率為91.6%，與理論分析結(jié)果軸的83.5%基本一致；主拱圈第3環(huán)施工完成，拱架軸向應(yīng)力實(shí)測(cè)值與容許應(yīng)力限值比率為77.7%，遠(yuǎn)小于理論分析結(jié)果的96.7%。

2)拱架應(yīng)力實(shí)測(cè)值與相應(yīng)理論值的變化步調(diào)基本一致，規(guī)律性較好。同時(shí)二者也存在一定差異，這些差異基本是在施工前期階段積累形成，加之拱架應(yīng)力測(cè)試應(yīng)力傳感器電焊在貝雷片表面，溫度因素對(duì)測(cè)量結(jié)果有一定影響。

3)主拱圈第3環(huán)施工時(shí)，拱架軸向應(yīng)力減小，分段加載時(shí)拱架軸向應(yīng)力基本無(wú)變化，拱架軸向應(yīng)力與第1環(huán)施工最大應(yīng)力基本相同，表明已施工成環(huán)的第1環(huán)與第2環(huán)拱體完全承擔(dān)了主拱圈第3環(huán)施工荷載。

4)主拱圈施工過(guò)程中，拱架與拱圈聯(lián)合承力在施工第2環(huán)階段，拱架與主拱圈第1環(huán)拱體共同作用承擔(dān)施工荷載。根據(jù)第2環(huán)實(shí)測(cè)拱架軸向應(yīng)力反演，拱圈第2環(huán)施工時(shí)，每片貝雷拱片承荷的荷載集度為7.381 3 kN/m，第1環(huán)主拱圈拱體承荷的荷載集度為6.572 6 kN/m，拱架承擔(dān)的荷載比率約為53%，主拱圈第一環(huán)拱體承擔(dān)的荷載比率約為47%。

4.2 拱架與拱圈聯(lián)合承力分析結(jié)論

根據(jù)理論計(jì)算、主拱圈施工加載觀(guān)測(cè)結(jié)果分析，可以得出以下結(jié)論：

1)主拱圈第1環(huán)施工過(guò)程中，施工荷載全部由拱架承擔(dān)。

2)加載第2環(huán)混凝土?xí)r，貝雷拱架約承擔(dān)第2環(huán)施工荷載的53%～60%，第1環(huán)已成拱體約承擔(dān)第2環(huán)施工荷載的40%～47%。

3)主拱圈第3環(huán)施工時(shí)，已施工成拱的第1環(huán)與第2環(huán)拱體完全承擔(dān)了主拱圈第3環(huán)施工荷載，拱架已不承受施工荷載。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)110 m箱肋拱橋貝雷拱架理論分析及實(shí)體工程驗(yàn)證，對(duì)于大跨徑拱橋主拱圈施工，采用貝雷拱架作支撐進(jìn)行分環(huán)現(xiàn)澆施工是一種安全、可行的方案。明確了主拱圈在分環(huán)加載過(guò)程中拱架與已成環(huán)拱體分別承擔(dān)的新加荷載比例，避免盲目加載發(fā)生拱架失穩(wěn)安全事故，為科學(xué)分環(huán)提供參考。