夹岩水利枢纽工程西溪河管桥钢拱架稳定性分析

夏云东

摘要：以夹岩水利枢纽工程西溪河管桥为例，设计并实施了钢拱架预压方案，通过全过程跟踪监测预压阶段的拱架变形和应力变化情况，并与仿真模拟计算成果进行对比，全面分析了钢拱架的稳定性。针对预压出现的横向偏位问题，提出了科学合理的工程处理措施，确保了在主拱圈第一环混凝土浇筑期间，钢拱架轴线偏位始终处于规范限值内，为后续施工安全奠定了良好基础。分析成果可为类似工程提供参考。

关键词：管桥;钢拱架;施工监控;稳定性分析;西溪河管桥;夹岩水利枢纽工程;贵州省

中图法分类号：U448.22文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.09.024

Abstract： Taking Xixi River pipeline bridge， a part of the Jiayan Hydro Complex Project， as example， we put forward and implemented a preloading scheme for steel arch frame， monitored the arch deformation and stress variations in the preloading stage， compared the monitored results with the simulation results， and thoroughly analyzed the stability of the steel arch frame. In view of large lateral deviation during preloading， scientific and reliable engineering measures were proposed and adopted， and the axis deviation of the steel arch was ensured always within the specified limits during the concrete placement for the first ring of the main arch. The analyses laid foundation for the subsequent construction， and the results can provide reference for other similar projects.

Key words： pipeline bridge; steel arch frame; construction monitoring; stability analysis; Xixi River pipeline bridge; Jiayan Hydro-complex Project; Guizhou Province

1 研究背景

钢筋混凝土拱桥因其跨越能力大、结构性能优越且外形优美，特别适应于西南地区在需要跨越地势陡峭的峡谷、河流上修建。我国桥梁施工控制技术研究起步较晚，但发展迅速。郑乐琴[1]以贵州甘河沟大桥为例，研究了拱架现浇混凝土拱桥施工控制重难点，提出以“线形控制为主，应力控制为辅”的控制策略，并初步确定了分环分段位置。彭毕辉[2]分析了几种常见拱圈与拱架类型的主要特点以及工程适用条件，并研究了施工监控的布置方式以及后续数据处理分析的方法。谢彬[3]设计了某大桥钢桁拱架预压试验，提出了合理的预压方案，并对拱架预压进行全过程模拟。蒋田勇等 [4]以桂阳县龙江渡大桥为工程背景，设计了钢拱支架水箱预压试验方案，提出了合理的预压加载和卸载方式，并对其强度、刚度以及稳定性进行了计算和分析，最终根据预压成果确定了钢拱架的预拱度，对拱肋底部标高控制具有一定指导意义。沈阳[5]、李展明[6]根据水箱预压试验监控成果，验证了钢拱架的结构性能，确保了后续施工安全。

目前拱架法施工技术较为成熟，但由于沟谷地带施工环境复杂，拱架法施工程序多且施工控制难度大，因此在钢拱架的吊装、钢拱架预压、主拱圈分环分段浇筑和钢拱架落架施工等关键节段，有效开展施工监控工作必不可少，是確保大跨度管桥施工安全并顺利合龙及建成后正常运营的关键。

2 工程概况

2.1 工程简介

西溪倒虹管为夹岩工程的一部分，其中西溪河管桥跨越西溪河“U”形峡谷，河谷宽约85 m，深102 m，两岸为陡壁，上部为缓坡平台及斜坡，岩层倾角平缓，边坡整体稳定。

西溪河管桥主拱为悬链线无铰拱，净跨108 m，矢高21.6 m，拱轴系数1.832，西溪河管桥总体布置见图1。拱圈采用C50钢筋混凝土箱形拱，单箱双室结构，宽6.0 m，高2.2 m，拱箱顶底板厚30 cm，边腹板、中腹板厚30 cm，横隔板厚25 cm。主拱采用贝雷拱架现浇，拱架采用321型贝雷片拼装而成，为调节拱圈标高及脱架方便，拱圈上设置带顶托钢管支架，主拱圈C50混凝土主要工程量为694 m3。

根据验算结果，将西溪管桥主拱圈分为5个节段进行浇筑，长度分别为19.5，27，26，27 m和19.5 m。主拱圈底板混凝土浇筑顺序为：同步浇筑进、出口拱脚A1和A2段19.5 m和拱顶B段26 m底板混凝土，同步浇筑进、出口岸C1和C2段27 m底板混凝土。主拱圈分段情况详见图2。

2.2 钢拱架预压方案

2.2.1 预压荷载确定

根据拱圈混凝土浇筑施工方案，拱圈混凝土分3环浇筑：第1环浇筑底板混凝土及1/5腹板混凝土，第2环浇筑剩余腹板和横隔板混凝土，第3环浇筑顶板混凝土。第1环拱圈混凝土浇筑强度达到90%以上，再浇筑第2环拱圈混凝土;第2环拱圈混凝土浇筑强度达到80%以上，再浇筑第3环拱圈混凝土。浇筑第2环拱圈混凝土湿重由拱圈底板混凝土和钢拱架共同承担，经计算分析拱架的变形与应力，确定钢拱架预压加载最大重量以浇筑第1环拱圈混凝土重量的1.2倍来控制。

根据拱圈混凝土配比，拱圈混凝土容重取23.8 kN/m3，第1层拱圈底板混凝土重量为763 t;拱圈钢筋总重量为180 t，浇筑第一层拱圈混凝土时考虑底板、腹板及部分横隔板钢筋合计重量为90 t;整个拱圈外侧钢模板设计荷载重40 t;因贝雷拱架预压搭设钢管脚手架平台所使用的钢管、方木及模板荷载小于浇筑第1层拱圈混凝土时所使用的钢管、方木及模板的数量，所以贝雷拱架预压时在搭设钢管脚手架平台水箱内施加的荷载总重为893 t。

2.2.2 水箱布置及分级荷载确定

水箱在贝雷拱架上平铺布置，共分为26个水箱，其中进、出口对称第1（拱脚）～6 号水箱长度为2.745 m，第7～12号水箱（拱腰）长度为3.660 m， 13号（拱顶）水箱长度为2.745 m，水箱高度均为1.83 m。水箱实际装水宽度为5.6 m，按照拱圈底板荷载分布（其中模板施工荷载均匀分摊）计算得出各个水箱的装水高度。按照底板混凝土的浇筑顺序，先将混凝土浇筑过程中的分段浇筑区域与水箱相对应，详见表1和图3。

根据分段浇筑区域与水箱对应表的统计，按照混凝土浇筑顺序，预压加载和卸载均按分级原则进行，其中加载分70%，100%，120%共3级进行，卸载按50%，0% 两级进行。

2.3 监测布置

为监测拱架应力和变形情况，防止拱架结构在施工过程中出现局部变形或应力过大，对结构稳定不利，导致安全问题，根据仿真计算成果，有针对性地在拱脚、L/8、L/4、3L/8、拱顶等控制截面以及经过结构计算最不利受力截面处附近的阴阳接头处布置固定棱镜观测点，并在断面的上、下弦杆布设应变计，横桥向按左、中、右进行布设，并尽可能对称布置，以便对其进行比较分析。监测布置情况见图4。

3 预压成果分析

西溪河拱架预压试验实测钢拱架控制截面应力与计算应力对比见表2。根据表2可知：钢拱架预压试验过程中，实测杆件应力与计算值较接近，应力值在规范的容许范围内且残余应力较小，表明钢拱架结构强度满足设计要求。

钢拱架预压试验实测挠度变形与计算变形对比见图5。根据图5可知：钢拱架预压试验过程中，实测钢拱架挠度（彈性）变形与计算变形的量值和分布情况基本一致，主要呈对称状态，拱顶最大弹性变形为39.3 mm，表明钢拱架纵向刚度满足设计要求。

钢拱架预压试验实测横桥向轴线偏位分布见图6。根据图6可知：预压试验过程中拱架横桥向（平面上）整体呈“S”形扭曲，扭曲区域主要分布在2～4号拱架节段范围内，且拱架轴线最大偏位达54.4 mm，超出规范限值。卸载后，进口岸存在13 mm、出口岸存在34.8 mm未恢复的轴线偏位。轴线偏位过大且预压过程中持续增长，表明钢拱架存在横向刚度偏弱，横向稳定性系数较小的不足。

4 处理措施及效果

4.1 处理措施

钢拱架预压试验过程中，预压至120%试验荷载时，监测数据反映钢拱架横桥向轴线偏位超规范限值较多。鉴于拱架试验存在的拱架横向较弱，横向稳定性系数较小等问题，对拱架预压过程中存在的问题采取如下处理措施。

（1）卸载后，重点检查第2，3，4组拱架是否存在杆件及螺栓无法恢复的塑性变形，应及时对其进行更换或局部加强，并调整拱轴线至设计位置。

（2）对钢拱架第2，3，4组拱架横向结构进行加强，可采用通长槽钢加强贝雷间的横向联系及每组拱架底面铺设剪刀撑，以增强拱架整体横向刚度及横向稳定性。

（3）按图纸设计要求、拱桥施工规范及施工通常做法进行设置风缆，重点对钢拱架第2，3，4组拱架设置风缆。风缆设置应缆风索应对称布置，且上下游缆风索的长度相差不宜过大;缆风索与钢拱架轴线夹角宜大于45°，与底面平面夹角宜为30°。

（4）受本桥场地条件所限，完全按规范设置风缆较为困难。鉴于桥体自身横向稳定较小，在浇筑阶段拱架稳定系数缺乏足够储备，因此若不设置风缆，可利用钢扣塔挂扣索，并施加一定的张拉力。

4.2 处理后效果

2020年6月17日，对西溪河管桥主拱圈第一环混凝土浇筑全过程进行跟踪监测，合龙24 h后的主要成果如下。

（1）实测钢拱架最大应力为76.05 MPa，在规范容许范围内，钢拱架结构强度满足设计要求。

（2）实测钢拱架最大挠度为 -9.7 mm（下挠），发生于3L/4部位。实测钢拱架存在-5.3～0.8 mm横桥向偏位，钢拱架线形处于规范范围内。

（3）实测钢扣塔最大水平位移为10.7 mm，往河心偏移。横桥向最大偏位为0.5 mm，处于合理范围内。

综合监测数据表明：合龙24 h后，钢拱架结构受力正常、轴线偏位及竖向挠度均在规范要求范围内，拱架结构安全，第一层主拱圈浇筑工作顺利完成。同时钢拱架轴线偏位始终未超1cm，较预压阶段产生的超规范偏位情况有明显改善，表明预压后所采取的工程处理措施有效得当。

5 结 语

预压试验可模拟主拱实际浇筑工况，是对钢拱架整体稳定性的一次有效检验，可有效消除钢拱架的非弹性变形，使所有连接杆件紧密连接，为后续预拱度的设置提供科学依据。同时，对于宽跨比较小的拱架，横向稳定性是其较薄弱的环节，预压加载过程中的轴线偏位是监控重点，正确有效设置缆风索可提高其整体稳定性，并为实际施工提供一定的应急保障。若受施工场地条件所限导致风缆设置较为困难时，可利用现有设施布置扣索并施加一定的张拉力，可有效保证浇筑过程中拱架整体结构安全。

参考文献：

[1] 郑乐琴.  箱形拱圈钢拱架施工控制研究与受力分析[D]. 西安：长安大学，2016.

[2] 彭毕辉.  拱架现浇混凝土拱桥施工控制研究[D]. 长沙：长沙理工大学，2016.

[3] 谢彬. 某大桥钢桁拱架预压试验分析[J]. 青海交通科技，2018（4）：67-70.

[4] 蒋田勇，罗舟滔，江名峰. 钢拱架水箱预压试验及预拱度设置[J]. 公路，2015，60（4）：113-118.

[5] 沈阳. 浅析桑坝大桥主拱圈悬拼钢拱架水箱预压[J]. 黑龙江交通科技，2014，37（4）：70-71.

[6] 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）：36-38.

（编辑：李晓濛）