大跨度现浇箱型拱桥施工拱架结构分析

尚 晋

(大连理工现代工程检测有限公司 大连市 116024)

随着钢筋混凝土拱桥跨径的增大，特别是在山区、峡谷等施工条件下，采用拱架施工的桥梁特点一般是桥下净空高，拱架结构复杂，施工拱架常采用缆索悬臂施工法[2]，在拱架上常采用分环分段的混凝土浇注方法进行拱圈施工等。在整个施工过程中，拱圈和拱架的受力情况较为复杂，因此必须要对其进行施工过程结构行为分析，以掌握任意施工状态下桥梁与施工结构的受力和变形情况，分析拱圈截面的应力分布情况。另一方面，进行施工过程结构受力分析，可合理布置拱架，优化拱架受力状况，确保施工过程的安全。

1 工程背景

位于遵义市道真县三江镇以北的瓮溪Ⅱ号大桥是一座净跨L=96m的上承式现浇钢筋混凝土箱形截面拱桥，矢跨比f/L为1∶6，拱轴系数为1.756。拱圈宽度为7.5 m，截面高为1.9m，单箱双室截面，见图1所示。施工方法采用贝雷片组拼成施工拱架，利用拱架进行拱圈混凝土现浇，其中采用扣索吊装悬臂拼装法进行拱架拼装。

拱圈混凝土结构分三次浇注，分层位置见图2所示。

2 拱架设计要点

施工拱架采用贝雷片桁架利用缆索吊装悬臂拼装而成。为了满足设计拱圈线形的要求，在桁架拼装处接入可微调的阴阳接头，以此来对拱架线形进行调整。

钢拱架跨度为94.96m，轴线宽7.3m，截面总高度1.7m。横断面拱架共包含6组钢桁架，每组包含2排桁架，共计12排桁架。其中每排钢桁架由31片贝雷片、7种规格尺寸的阴阳接头和2个拱脚构架组成[3]。每组内2排桁架中心距离为0.45m，每组间桁架间距为0.9m和0.95m，如图1所示。

图1 拱架及拱圈横断面示意图(单位：cm)

图2 拱圈混凝土分层浇注位置示意图

贝雷片桁架除拱脚段材料采用Q235外，其余均采用Q345。在施工拱架悬拼施工过程中，拱架每侧设置7道扣索，每道扣索横向设2个扣点，共布置2根Φ28的钢丝绳。

3 有限元模型分析

3.1 计算模型及参数

采用平面桁架模型对拱架构件进行承载力计算。在遵循贝雷桁架标准平联布置的前提下，弦杆的压杆稳定系数为0.8，腹杆的压杆稳定系数为0.66[4]。拱脚段杆件较短，弦杆和腹杆的压杆稳定系数均取为1.0。计算结果中给出的弦杆压应力均按下式计算：

在只计重量荷载的工况下，贝雷片弦杆(Q345)和拱脚段弦杆(Q235)的容许应力分别取200MPa和140MPa[5]，当考虑温度效应时，容许应力提高25%[6]，此时的容许应力分别取250MPa和175MPa。

3.2 计算工况

(1)工况一：贝雷片拱架自重荷载275t；

(2)工况二：工况一+模板及垫方自重荷载165t+施工荷载50t；

(3)工况三：拱圈底板和下马蹄混凝土浇注完毕时，其荷载为工况二+底板和下马蹄混凝土自重荷载680t；

(4)工况四：腹板混凝土浇注完毕时，其荷载为工况三+拱圈腹板和横隔板自重荷载490t；

(5)工况五：顶板混凝土浇注完毕时，其荷载为工况四+顶板和上马蹄混凝土自重荷载680t；

(6)工况六：工况二+1.2倍底板和下马蹄混凝土自重荷载。

其中工况六为荷载试验工况。

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4 拱架构件承载能力分析

4.1 计算结果

各控制工况下的弦杆最大应力结果如表1所示，拱架挠度结果如表2所示。

表1 各控制工况的弦杆最大应力σ(单位：MPa)

表2 各控制工况的拱架总挠度f(单位：mm)

从表1、表2数据中可以看出，在拱架施工过程中上弦杆和下弦杆的最大应力分别为136MPa和146MPa，拱架荷载试验时上弦杆和下弦杆的最大应力分别为122MPa和123MPa，在所有工况下，弦杆的应力均满足要求(<200MPa)，并且有较大的安全储备。还可以看出拱架在以上六个工况下的挠度最大值为78mm，与拱架跨度之比约为1/1200，远小于规范规定的变形限值。

另外，荷载试验工况的弦杆应力及拱架挠度均接近开口箱浇注完毕状态的数据，一般认为开口箱浇注完毕是整个施工过程的最危险工况。因此，将第一次浇注底板混凝土重量的1.2倍作为试验荷载也是合理的。

本方案的施工拱架各杆件的承载力均符合规范要求。

4.2 温度影响分析

在温度作用影响下，由于拱架结构受到已浇注的拱圈混凝土结构约束影响而产生应力。本桥施工过程中，当拱圈底板和腹板混凝土浇注完毕并达到强度后，此时温度作用下拱架构件应力最大，因此，只计算此工况下的温度作用影响。

由于降温会导致拱架结构卸载，因此只对升温或正温差进行计算。

在拱圈顶板混凝土浇注完毕时，同时考虑体系温差+15℃以及拱架、拱圈温差+5℃时，拱架弦杆的最大应力为164MPa，小于此时的容许应力250MPa。所以，考虑温度效应时，拱架杆件承载力满足规范要求。

5 箱型拱圈与拱架联合作用分析

(1)该层混凝土浇注完毕后拱架构件应力，混凝土荷载由拱架和已浇混凝土共同承担；

(2)该层混凝土自重全部由施工拱架承担时拱架构件应力。

各工况下的计算结果见表3。

表3 各层混凝土浇注后拱架关键截面压应力增量比较(单位：MPa)

从表3中可以看出，由于第一层拱圈混凝土浇注后，混凝土重量全部由拱架承担，因此情况①和②计算结果一致，最大应力发生在L/4下弦杆，为61.6MPa压应力；第二层混凝土浇注后拱架关键位置上弦杆和下弦杆实际应力增量与全部混凝土重量由拱架承担时的应力增量之比均不超过40%，即第二层混凝土60%的重量都由已浇注的第一层混凝土承担，剩余的40%由拱架承担；第三层混凝土浇注后拱架关键位置上弦杆和下弦杆实际应力增量与全部混凝土重量由拱架承担时应力增量之比均不超过30%，即第三层混凝土70%的重量都由已浇注的第一、二层混凝土承担，剩余的30%由拱架承担。

6 结论及建议

结合瓮溪Ⅱ号桥实际工程，对拱架施工过程及其施工过程中的结构受力状态进行了有限元分析，可得到以下结论：

(1)通过有限元模型模拟了在拱架上浇注拱圈过程的受力状况，从计算数据上看，瓮溪Ⅱ号桥采用贝雷拱架现浇施工是一种安全、可行的方案，拱架满足承载力要求。

(2)采用缆索悬拼拱架，并在其上分层分段施工的现浇钢筋混凝土拱桥，已浇注的混凝土与拱架共同作用明显。在瓮溪Ⅱ号桥中，其整体贡献度达41.6%，介于石拱桥的30%[7-9]和钢筋混凝土拱桥的43%[10]之间。