贝雷片折线形拱架设计关键点的研究

尹 超

（黔南布依族苗族自治州交通战备办公室，贵州 都匀 558000）

贝雷片折线形拱架设计关键点的研究

尹 超

（黔南布依族苗族自治州交通战备办公室，贵州 都匀 558000）

贝雷片折线形拱架作为一种应用在上承式拱桥的特殊施工方案，对于其性能状况的分析是当今桥梁结构研究的热点。本文将着重阐述关于该类拱架方案的各技术要点。首先本文对悬拼拱架在现今的应用情况做了一些简介，然后分别叙述论证了贝雷片折线型拱架作为现浇主拱圈施工的重要受力结构的各个关键点。当中运用了Midas Civil 2010软件来求解有限元模型。最后总结论述内容，并给出结论。

贝雷片折线形拱架；拱架结构；现浇主拱圈施工

前言

悬拼拱架施工方案是一种应用在上承式拱桥现浇主拱圈的特殊支架方案，在我国现代交通建设事业中发挥了积极重要的作用。而贝雷片折线形悬拼拱架作为悬拼拱架方案中的常用方案，其要求是非常严格的，它的设计一般须由具有相关资质的专业设计单位进行设计，施工由熟练并具有施工经验的吊装班组组织实施，整个施工过程必须实时监控，且根据具体情况提出施工控制对策。

悬拼拱架施工方案多应用在地质条件较为复杂的“V型”峡谷地貌上，该地貌在我国的重庆、贵州山区较多。这类方案有不少成功的例子，如重庆酉阳酉水特大桥（主拱圈跨径120m）[1]、贵州思南柏杨大桥（主拱圈跨径75m）[2]、贵州毕节吊南河大桥（主拱圈跨径110m）[3]（见图1）、贵州施秉江凯河大桥（主拱圈跨径110m）[4]、贵州织金底那河大桥（主拱圈跨径120m）[5]等，这些成功的施工典型都有着共同的特点，那就是规范的项目管理、严谨细致的施工方案、成熟的施工组织以及各关键环节有序的协调和衔接。该类型方案也有过失败的教训，例如2005年施工的贵州务川珍珠大桥（主拱圈跨径120m），该桥方案失败的根本原因主要在于涣散的项目管理、不严谨的施工组织设计和现场的违规操作，只是一个不经意间就造成了16人死亡、3人受伤、直接经济损失352.1万元的重大安全责任事故。由此可见，对于大跨径的桥梁支架施工，是必须引起足够重视的，任何一个关键点的疏忽，都将可能带来不可想象的严重后果。

贝雷片折线型拱架作为拱架的一种常用类型，其原理是模拟圆弧拱，但由于贝雷片为直线段，所以必须设计专用的梯形钢架作为转折变形段，使其整体形式变为折线拱。对于拱脚处，须设计专门的钢筋混凝土特殊拱座，并采用专用的三角铰接头连接靠近拱脚处的贝雷片；而对于拱顶处，须设计专门的合拢段，若合拢段在设计中利用原有的零构件不能满足其要求的话，必须在合拢段前设计特制的贝雷片来达到要求。另外，在某些连接的较薄弱处还需要用型钢横联剪刀撑加强拱架整体性。总之，贝雷片折线形拱架结构需要包含以下零构件及结构物：临时拱座、拱脚三角铰接头、贝雷片（带上下加强弦杆）、梯形钢架、合拢段及相关构件、贝雷片连接片、型钢等。

图1 贵州毕节吊南河大桥拱架施工示意图

1 拱架的设计原则

拱架作为现浇主拱圈的重要承受作用力支架，其结构的重要性不言而喻，那么一座拱架首先也是最重要的论证必须从其强度、刚度、稳定性及形变线型等多方面入手，同时拱架也必须兼顾其组装功能使用和现浇主拱圈施工的合理性。总的来说，拱架的设计是必须通过结构论证，且充分结合现场施工实际的。

2 拱架设计的具体论述

2.1 例子的介绍及拱架设计的引入

贵州毕节吊南河大桥的拱架是一个既典型又特殊的贝雷片折线形拱架，典型在于该桥拱架包含了通常拱架所使用的结构物和零构件，同时其跨径超过了100m，特殊是由于该方案创新性地在大跨径拱架中使用了特 制贝雷片以修正合拢段。其布置图如图2、3、4所示。

图2 贵州毕节吊南河大桥拱架立面布置图

图3 贵州毕节吊南河大桥拱架平面布置图

在早期吊南河大桥拱架的设计中并没有特制贝雷片的相关结构，其合拢段采用了9m平直段，结构形式如图5所示。

图5 贵州毕节吊南河大桥拱架合拢段原设计图

这样的合拢段在拱架设计上有诸多缺陷。首先，拱架合拢段施工时是采用现场量取长度，然后下料焊接，由于其跨径太大，这样会给悬空焊接定位型钢造成诸多不便；其次，合拢段的上下弦杆的长度一致，这要求拱架最后一组拼装节段在拼装完毕后两销孔的连线与水平线是垂直的，而在实际的拼装中难以保证其连线与水平线的垂直度；最后，也是安全隐患最大的，假如这种结构能按照设计要求施工出来，那么在拱架加载反压拱顶的工况中会造成合拢段下挠，也就是拱顶下榻，这是拱架设计中不能满足其形变线型的重要方面，将有可能带来非常严重的安全质量问题。

另外，在当时关于吊南河大桥拱架合拢段的修正方案中，也提出过这样的一种修改，其结构形式如图6所示。

图6 贵州毕节吊南河大桥拱架合拢段设计修改方案一图

这样的方案实际上在内部采用了楔形结构改变了合拢段构造，但是其方案的提出者仍然肯定了合拢段前的连接段，所以实际上对于拱架外部整体线型来说是没有改变的，这样的设计仍然可能带来原方案中的重要安全隐患。

要使拱架结构满足要求，就必须打破原有设计方案。所以最后得到的拱架合拢段设计方案如图7所示。

图7 贵州毕节吊南河大桥拱架合拢段新设计图

这样的结构形式采用了较为经典且合理的上弦杆长下弦杆短的楔形结构，而在中间过度连接段创新性地采用了特制的贝雷片来修正合拢段跨径，这种结构从理论和实际上来说已经满足了拱架结构要求。

对于拱架来说，一般在起拱段中采用三角铰和两片贝雷片连接作为一段，后面的伸长段一般采用3片贝雷片作为一直线段，每段直线段之间用梯形钢架连接。一般没有特殊情况，是不用设计特制贝雷片的，而吊南河大桥由于原有的零构件和现场条件不能满足其拱架的线型，创新采用了特制贝雷片来修正合拢段，所以其最后一段直线段在3片贝雷片后还要延伸，每片贝雷片的长度为3m，特制贝雷片长度为1.76m，则最后一段直线段长度在11m以内。通常在拱架设计中，拱脚直线段长度控制在8m以内，正常直线段长度一般为9m，最高不要超过12m，而合拢段前的直线段如果需要使用特制贝雷片，该段长度最高不要超过11.5m较为合适。合拢段的设计尤其要注意，首先，合拢段前的直线段在拼装后是必须有一定向上坡度的，这就保证了合拢段的结构形式为上弦杆长下弦杆短的楔形结构，一般上弦杆长度不要超过1.9m（对于跨径在100m以上的拱架应小于1.5m），下弦杆长度不要超过1.4m（对于跨径在100m以上的拱架应小于1m），这种结构设计能减小合拢段的弯曲正应力及剪应力，有助于将合拢段所承受荷载有效地传递到与之相邻的直线段上，从而保证合拢段的结构安全性。

在拱架的拱脚段中，对于三角铰的约束方式，在之前的一些类似施工方案中采用纯铰接而不加固拱脚固结段的结构约束。这样的做法并不安全，因为拱脚作为荷载传递的基础，如何保证其安全性是至关重要的，如果拱脚没有采取固结措施，实际上是释放了y方向（横向）弯矩产生的弯曲正应力的约束，这样就会使得整个拱架的挠度变大，特别是对于大跨径拱架而言，安全系数会大打折扣。由此可知，拱架的拱脚段最好在拱架拼装完毕扣索拆除后进行固结，这种做法有助于荷载的向下传递，并减小拱架的挠度。

关于拱架的横向连接，首先必须确定拱架横向每组之间的间隔距离，一般每个大组内的小组贝雷片之间间隔均为45cm，中间用45cm的贝雷片连接片按照梅花形分布进行连接。在吊南河大桥的拱架设计中，有一些大组的拱架着重布置在对应位置之上有腹板的位置，这样的加强设计有助于加强其局部的强度，其做法是值得可取的，而大组与大组之间的距离通常有70cm（柏杨大桥）[2]、75cm（吊南河大桥）[3]和90cm（柏杨大桥）[2]。实际上，根据现场的施工经验，一般大组之间的距离最好不要超过75cm，以保证其整体稳定性，而小组之间的距离以45cm为宜，每个大组应兼顾拱圈的浇筑而合理布置。

2.2 拱架结构的验证

对于现浇普通箱式拱圈来说，验证拱架的结构合理性，主要是验证其强度、刚度、稳定性及形变线型是否达到要求，而拱架结构的节点和单元是非常多的，那么一种强大可靠的有限元计算方法必不可少。验证强度即查看拱架在所有工况下每一个单元的应力是否超过其许用应力；刚度的验证即查看拱架在所有工况下每一个节点的位移是否超过其许用极限；稳定性的验证就是通过最不利工况下的屈曲分析，查看结构的整体特征许用值是否达标；而拱架形变线型的变化则是需要通过拱架在每个工况下位移的变化形状来对拱架整体安全做出准确的判断及合理的评价。

一般来说，现浇普通箱式拱圈为分环分段浇筑。分环即将箱式截面分为若干部分，其目的是在充分保证拱圈施工质量的情况下，将荷载合理施加到拱架上，以保证拱架结构安全。目前较为理想的现浇拱圈是三环浇筑，即第一环为整个拱圈底板（包括下马蹄及横隔板）至腹板以上10cm左右，第二环为剩余腹板（包括横隔板，不包括上马蹄），第三环为拱圈剩余部分及垫梁，并且在每次混凝土施工完毕到下一环施工前，必须严格对其接触面作重点凿毛处理，以保证拱圈的施工质量。分环浇筑中最关键的过程是第一环的施工，在很多以往施工案例里第一环拱圈混凝土的浇筑只进行到底板（包括下马蹄及横隔板），而后续施工中由于拱架对底板的反作用力和后续荷载对底板的积累，造成底板某些部位发生开裂现象，这是非常严重的；而后也有方案提出过拱圈混凝土分为两环施工，每环施工一半，但是在这种情况下又会造成拱架荷载和位移增大，影响拱架的安全和拱圈的施工质量，所以经过充分的相关论证后，得到第一环混凝土浇筑除了应该包含底板外，还要到其上腹板10cm左右的位置，这种做法既能降低拱圈底板开裂的危险，同时也不会给拱架带来较多的荷载，并且能有效控制拱圈混凝土的浇筑施工。分段浇筑的原理是根据动荷载对结构物的冲击变形而得到的，它首先选取一部位进行荷载施加，当拱架局部应力和挠度及整体形变线型到达预定值时，再在另一部位施加荷载，以控制整体拱架的力学参数，以此类推，直到拱圈单环施工完毕。现在较为普遍的分段浇筑是从拱脚开始的，当两岸对称从拱脚向上浇筑至某一位置时，拱架的局部应力和位移及整体形变线型到达一预定值，此时反压拱顶，以抵消上一阶段施加的荷载对拱架的影响，当反压拱顶对称至拱顶两边的某一位置时，拱架的局部应力和位移及整体形变线型又到达另一预定值，再选取一部位进行对称加载用于抵消到上一阶段为止施加的积累荷载对拱架的影响，以此类推，直到该环混凝土施工完毕。所以要让拱架的结构合理性达到要求，必须确定拱圈的浇筑方案，而浇筑方案首先要确定分环，把每一环的荷载统计后验证拱架是否能够承受，再来确定分段，从而得到最佳的拱圈现浇方案。

拱架的结构设计应该充分运用强大的有限元计算方法来完成，计算过程需要依托权威的有限元计算软件来实现，这里主要应用了Midas Civil 2010。在拱架有限元前处理阶段中，首先须保证整体建筑模型充分符合拱架设计图所述，同时对每一个节点单元的边界条件施加合理的约束，最后划分施工阶段，并定义每一阶段的施工荷载。在分析过程中，对于拱架承受的荷载一般分析到开口箱浇筑完毕，即第二环施工完毕，但在第二环施工过程中并不考虑第一环已施工的结构物对荷载的承受能力，这样的分析是偏于保守的。当然，如果在这样的分析中拱架能够满足在所有工况下的结构合理性，那么就可以判定该拱架在实际施工过程中是可以达到预期目标的。这里需要注意的是，由于拱架每段线型与其相对应位置的拱圈重量不一样，所以通常来说需要对对应位置的模板、钢筋和混凝土荷载加权平均处理后施加到相应拱架位置，尽量模拟拱架在实际受压过程中所承受的荷载。以吊南河大桥贝雷片折线拱架为例，其总体建模如图8所示。

图8 吊南河大桥拱架有限元建模图

在后处理过程中，以我们所需要验证的结构参数为依据，充分论证所有工况下的拱架力学结构参数，从而得出其结构评价。在此过程中特别需要注意的是在反压拱顶工况下的位移形变图的线型变化情况，如吊南河大桥拱架在第一环反压拱顶工况下的组合位移图如图9所示。

图9 吊南河大桥拱架第一环反压拱顶工况下的组合位移示意图

这是通过充分验证了该拱架在分环分段合理性的情况下得出的较为理想的反压拱顶形变线型图，从图上可以看出，拱架在此工况下能够保证其不塌陷，并且位移变化最大的拱顶处也仍然保持向上拱起，这种形变线型是能够满足经验要求的。

2.3 拱架相关的施工做法

在拱架的支架预压中，预压荷载一般只选取第一环施工包括之前的所有荷载，钢筋和混凝土荷载大小通常为实际大小的120%，其余不变。加载过程一般分两次，第1次为一次性加载100%荷载，充分模拟拱圈施工过程，第2次加载完剩下的20%荷载，以校验拱架承受力的承载范围，并且也能为实际施工中的不均匀加载提供了可靠保障。需要注意预压的每一次加载应根据拱架与拱圈分段对应情况对荷载进行加权平均。拱架通过预压能够抵消其整体间隙较大的非弹性变形，同时也能有效得到拱架的弹性变形，使拱圈调平支架在施工过程中施加比有限元计算更为准确的预拱度，保证拱圈的施工质量。

浪风索是控制拱架横向稳定并在拱架拼装过程中调整轴线所用的，若浪风索使用过少，则不能控制拱架横向稳定，且难以保证拱架轴线偏移；但浪风索使用过多，首先是浪费材料，再者加大了拱架竖直方向上的局部荷载，对拱架结构有一定影响。那么如何确定浪风的数量及布置位置就非常重要了，在吊南河大桥的拱架中，前三段拱架每一个9m段挂浪风索，后三段每一个4.5m段挂浪风索，这样的做法是通过验证后发现的较为合理的布置方法，该布置既不会对拱架结构造成太多不利影响，同时充分保证了拱架横向稳定和轴线的可控性。同时由于吊南河大桥拱架左右幅同时施工，所以在施工中两幅拱架内侧的浪风设置创新性地采用了在左右幅拱架之间每一个3m段钢管支架锁死，钢丝绳收紧的做法。这种做法在实际施工中起到了代替浪风索的作用，收到了较好的效果，但是其论证仍需要充分的理论支持。

在合拢段的施工过程中，一般要求合拢段合拢焊接工作在较低温度的状态下进行，这是通过在拱架结构设计中对比温度变化情况发现的，如图10、图11所示。

图10 吊南河大桥拱架第二环最后一个工况温度升高13℃的组合应力示意图

图11 吊南河大桥拱架第二环最后一个工况温度降低11℃的组合应力示意图

从以图10、图11中可以看到，若拱架选取低温状态进行合拢之后温度升高13℃的情况下，其组合应力大小要比后者降低11℃的情况低11.261MPa。由此可见，合拢段合拢过程中的环境控制温度也是影响拱架质量好坏的一个重要因素。

3 总结

通过以上论述，可以看出，贝雷片折线形拱架的设计是一个集拱架本身结构和现场合理的拱圈施工方案为一体的综合设计，它不仅需要力学结构的常规性论证，同时也应该结合实际经验，得到较为合理的整体方案。由此得出了以下一些有意义的结论：

拱架合拢段不能采用平直的结构，必须采用上弦杆长、下弦杆段的楔形结构；拱架横向布置应根据拱圈横断面作局部加强处理；在拱架有限元结构计算验证中，必须保证拱架在反压拱顶工况中不能塌陷；根据拱架设计和现场施工情况合理制定拱架荷载预压和加载顺序方案；若采用左右幅拱架同时施工，在没有更合理的内侧浪风情况下，可以采用在左右幅拱架之间钢管支架锁死，钢丝绳收紧的做法；拱架应在较低温度的状态下进行合拢工作。

[1]杨政武，等.重庆酉阳酉水特大桥现浇贝雷片拱架应力、位移电算文件.贵州省桥梁工程总公司，2005:50-125.

[2]尹超.贵州思南柏杨大桥缆索吊装及拱架计算书.贵州省公路工程集团有限公司，2011:2-66.

[3]尹超.贵州毕节吊南河大桥悬拼拱架专项方案的重大修正.贵州省公路工程集团有限公司，2012:1-63.

[4]李展明.现浇拱桥钢桁拱架受力分析与施工[J].山东交通科技，2012.3:1-2.

[5]吴成智.贵州织金底那河大桥拱架施工控制[J].大连理工大学，2007:6-66.

U445.3

A

1671-3362（2013）07-0034-03

尹超（1987-），男，湖南大学工程力学专业，大学本科学历，工学学士学位，助理工程师，曾研究大跨径桥梁施工支架结构，在贵州省公路工程集团有限公司著有《贵州思南柏杨大桥缆索吊装及拱架计算书》、《贵州毕节吊南河大桥悬拼拱架专项方案的重大修正》等技术方案，现工作于黔南州人民防空（交通战备）办公室。