張玉平 彭畢輝 李傳習(xí) 董創(chuàng)文
摘要:針對(duì)目前確定拱架現(xiàn)澆拱圈混凝土澆筑順序主要考慮拱架變形而未考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)力的現(xiàn)狀,以貴州甘河溝大橋主橋?yàn)楣こ瘫尘?,結(jié)合其原施工方案初步確定了分環(huán)分段位置,利用MIDAS軟件對(duì)拱架現(xiàn)澆拱圈混凝土的施工全過(guò)程進(jìn)行仿真分析,綜合考慮拱架變形和結(jié)構(gòu)應(yīng)力,通過(guò)多方案計(jì)算對(duì)比確定了合理的最優(yōu)澆筑方案:第1環(huán)混凝土澆筑順序?yàn)橄裙澳_段再拱頂段最后中間段;第2環(huán)混凝土澆筑順序?yàn)橄裙绊敹卧俟澳_段最后中間段;第3環(huán)混凝土拱項(xiàng)、拱腳和中間段均再細(xì)分成2部分,澆筑順序?yàn)橄纫来问┕す绊敹?、中間段和拱腳段第1部分,而后再依次施工拱頂段、拱腳段和中間段第2部分;拱上建筑澆筑順序?yàn)閺墓绊?xiàng)向拱腳依次施工。拱架變形和結(jié)構(gòu)應(yīng)力的實(shí)測(cè)值與理論值總體上吻合較好,表明該程序與方法合理可靠。
關(guān)鍵詞:橋梁工程;箱型拱橋;拱架現(xiàn)澆;施工程序
中圖分類(lèi)號(hào):U448.22
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1674-4764(2016)06-0083-08
混凝土拱橋結(jié)構(gòu)因性能優(yōu)越、跨越能力大、耐久性好且外形優(yōu)美而倍受工程界青睞。拱架法是混凝土拱橋和石拱橋常用的一種施工方法。拱架法施工拱橋的一個(gè)難點(diǎn)在于如何合理地劃分拱圈混凝土的澆筑長(zhǎng)度和澆筑順序,以控制拱架發(fā)生過(guò)大變形,防止拱圈混凝土因拱架變形過(guò)大而開(kāi)裂,并減少前期拱圈混凝土所受拉應(yīng)力。為了保證拱圈混凝土和拱上建筑施工全過(guò)程中拱架與拱圈的變形和受力均滿(mǎn)足要求,必須先確定合理的澆筑順序和澆筑長(zhǎng)度。
中國(guó)多座混凝土拱橋采用了分環(huán)分段的拱架施工方法,如:打黑渡怒江大橋、丹河大橋、官地永久交通大橋等。技術(shù)人員對(duì)拱架現(xiàn)澆混凝土拱圈的分環(huán)分段澆筑程序與方法進(jìn)行了相關(guān)研究,蔣云峰等和劉鵬等研究了混凝土現(xiàn)澆時(shí)拱架與混凝土的聯(lián)合作用,周倩等研究了混凝土拱圈的澆筑長(zhǎng)度。但以上研究主要以拱架變形為控制要素,未考慮主拱圈澆筑過(guò)程中混凝土應(yīng)力變化所帶來(lái)的影響。李傳習(xí)等通過(guò)不同施工方案的有限元數(shù)值計(jì)算與對(duì)比研究獲得了低扣塔架設(shè)鋼管混凝土拱橋的合理施工程序與方法。其他國(guó)家著重于進(jìn)行拱橋新工藝及新型組合結(jié)構(gòu)的探索,較少研究拱架現(xiàn)澆拱橋的施。筆者結(jié)合甘河溝大橋?qū)嶋H工程,利用Midas/Civil軟件對(duì)主拱圈縱向澆筑順序展開(kāi)研究,對(duì)比分析拱圈分環(huán)分段施工中每一環(huán)拱圈不同的澆筑順序?qū)凹茏冃渭跋绕谛纬晒叭?yīng)力所產(chǎn)生的影響,得出每一環(huán)主拱圈澆筑的最優(yōu)順序。
1.工程概況
甘河溝大橋位于貴州省畢節(jié)市雙山新區(qū)梨新大道上,跨越甘河溝河谷。甘河溝大橋全長(zhǎng)320m,橋跨布置為3×30m箱梁+125m箱型拱橋+3×30m箱梁,其中,主橋?yàn)榛炷料湫凸皹?;矢跨比f(wàn)o/Lo=1/5,拱軸系數(shù)m=1.756;大橋分為左右兩幅,每幅橋面寬23.0m,設(shè)有1.6%縱坡和1.5%橫坡。主拱圈拱箱為單箱4室,截面高2.2m、寬15.6m。甘河溝大橋采用懸拼鋼拱架現(xiàn)澆混凝土的施工方法。甘河溝大橋主橋立面總體布置如圖1所示,主拱圈拱箱和鋼拱架橫向布置如圖2所示。
2.分環(huán)分段方案
甘河溝大橋拱圈混凝土澆筑過(guò)程按豎向分環(huán)、縱向分段的方式進(jìn)行,并遵循縱向和橫向?qū)ΨQ(chēng)、均衡的原則進(jìn)行施工。按照設(shè)計(jì)要求,主拱圈豎向共分為3環(huán),第1環(huán)為底板和下馬蹄部分;第2環(huán)為腹板和橫隔板部分;第3環(huán)為頂板和上馬蹄部分,分環(huán)位置如圖3所示。當(dāng)?shù)?環(huán)混凝土達(dá)到90%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,方可進(jìn)行第2環(huán)混凝土澆筑,第2環(huán)混凝土達(dá)到90%后方可進(jìn)行第3環(huán)混凝土澆筑。主拱圈縱向分為5段,分段位置分別位于排架2、4、7、9,分段位置如圖4所示。
鋼拱架拱頂截面變形顯著,以鋼拱架拱頂截面變形為分析對(duì)象,通過(guò)分析拱架跨中截面的撓度影響線(xiàn),可以確定混凝土澆筑過(guò)程中拱頂撓度的變化。從圖5中的拱頂撓度影響線(xiàn)可以看出,因拱腳區(qū)段為正撓度區(qū)域,拱圈混凝土由拱腳向拱頂澆筑時(shí),澆筑該區(qū)域混凝土將使拱架拱頂向上變形。隨著混凝土繼續(xù)澆筑,混凝土進(jìn)入負(fù)撓度區(qū)域,拱架拱頂開(kāi)始向下變形。在混凝土澆筑過(guò)程中應(yīng)使拱頂豎向位置變化和結(jié)構(gòu)應(yīng)力盡可能小,為此,每一環(huán)拱圈混凝土初步擬定了4種可能的澆筑方案,如表1所示,表中字母所表示區(qū)段見(jiàn)圖4。
圖5中,x1、x2分別為沿跨徑方向拱圈混凝土澆筑分段點(diǎn)位置;xo為拱頂撓度影響線(xiàn)零點(diǎn)位置;撓度向上為正撓度。
3.有限元計(jì)算模型
采用Midas/Civil軟件對(duì)甘河溝大橋進(jìn)行有限元模擬計(jì)算,拱圈和拱架的結(jié)構(gòu)離散如圖6所示,共有9246個(gè)單元,9847個(gè)節(jié)點(diǎn),3645個(gè)彈性連接。拱架和拱圈均采用梁?jiǎn)卧M,拱圈底板和拱架之間采用彈性連接中的單向受壓?jiǎn)卧B接,并釋放單元兩端彎矩,通過(guò)設(shè)定受壓剛度值來(lái)模擬模板受力;底板、腹板、頂板之間采用彈性連接中的剛性選項(xiàng)進(jìn)行模擬;用釋放單元兩端彎矩的方式模擬拱架下弦的鉸接方式;按兩鉸拱對(duì)鋼拱架的邊界條件進(jìn)行約束,按無(wú)鉸拱對(duì)底板、腹板和頂板進(jìn)行約束。按照上述4種縱向澆筑方案(見(jiàn)表1)分別建立考慮施工全過(guò)程的有限元模型。
其中,混凝土的強(qiáng)度隨時(shí)間增長(zhǎng),考慮混凝土強(qiáng)度的增長(zhǎng)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析非常重要,尤其對(duì)采用分環(huán)分段施工的橋梁而言。此外,有限元模型也基于以下假設(shè):施工過(guò)程中拱圈與拱架不發(fā)生相對(duì)滑移。
4.有限元結(jié)果分析
4.1第1環(huán)混凝土澆筑
第1環(huán)混凝土澆筑過(guò)程中,由于混凝土尚未凝固,強(qiáng)度和剛度都很小,無(wú)法承擔(dān)自重,其重量將全部由拱架承擔(dān)。因此,在澆筑第1環(huán)混凝土過(guò)程中主要考查鋼拱架變形,根據(jù)建立的有限元模型對(duì)4種不同澆筑方案進(jìn)行對(duì)比分析,其結(jié)果如圖7所示。
從圖7可以看出,在4種方案中,方案1和方案2的拱架拱頂變形相對(duì)較小。方案2首先澆筑中間段混凝土,由于拱腳段坡度較大,混凝土容易流向拱腳位置,不利于實(shí)際施工。方案1首先澆筑拱腳段混凝土,有利于施工。因此,可確定采用方案1進(jìn)行第1環(huán)混凝土的澆筑。
4.2第2環(huán)混凝土澆筑
在澆筑第2環(huán)混凝土?xí)r,第1環(huán)混凝土已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%以上,可以和拱架一起共同承擔(dān)第2環(huán)混凝土的重量,即此時(shí)的承重結(jié)構(gòu)為拱架和第1環(huán)混凝土。在澆筑第2環(huán)混凝土的過(guò)程中不僅要分析拱架的變形還要考慮第1環(huán)混凝土的應(yīng)力大小,以防混凝土開(kāi)裂。第2環(huán)混凝土不同澆筑方案的拱架拱頂變形和結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果如圖8和表2所示。
由圖8和表2可看出第2環(huán)混凝土不同施工方案下的拱架變形和第1環(huán)混凝土應(yīng)力大小。方案1雖然拱架變形不大,但是其前期形成的混凝土拉應(yīng)力較大,其值達(dá)到了-3.5MPa,相對(duì)而言,其他澆筑方案拉應(yīng)力大小均為-1.1MPa,減少了68%。綜合考慮拱架變形、第1環(huán)混凝土拉應(yīng)力大小和施工方便,采用方案4進(jìn)行第2環(huán)混凝土的澆筑。
4.3第3環(huán)混凝土澆筑
在澆筑第3環(huán)混凝土?xí)r,第2環(huán)混凝土已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%以上,可以和第1環(huán)混凝土以及拱架一起共同承擔(dān)第3環(huán)混凝土的重量,即此時(shí)的承重結(jié)構(gòu)為拱架和第1、2環(huán)混凝土。在澆筑第3環(huán)混凝土過(guò)程中同樣需考慮拱架變形和前期形成拱圈的應(yīng)力。第3環(huán)混凝土不同澆筑方案的拱架拱頂變形和結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果如圖9和表3所示。
由圖9和表3可看出第3環(huán)混凝土不同施工方案下的拱架變形和第2環(huán)混凝土應(yīng)力大小。方案1雖然拱架變形不大,但是其前期形成的混凝土拉應(yīng)力最大,達(dá)到了-5.4MPa,而方案4拉應(yīng)力最小為-1.7MPa。為進(jìn)一步減少拱圈的拉應(yīng)力,降低拱圈混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn),增加第3環(huán)混凝土澆筑的分段數(shù)如圖10所示,并對(duì)其澆筑順序進(jìn)行了研究,拱圈腹板應(yīng)力結(jié)果如表4所示。
從表4可見(jiàn),較為合理順序?yàn)棰蔻邰佗茛冖?,最不利?yīng)力出現(xiàn)在所有拱圈頂板混凝土澆注完成時(shí),位置為拱腳附近,數(shù)值為1.2MPa。
4.4拱上建筑施工
拱上排架及空心板的施工順序也會(huì)對(duì)主拱圈受力產(chǎn)生一定影響,為了減小拱圈的拉應(yīng)力,對(duì)拱上排架和空心板的施工順序進(jìn)行對(duì)比分析,其結(jié)果如表5所示。由表5可知,當(dāng)拱上排架及空心板由拱頂向拱腳澆筑時(shí),拱圈頂板的拉應(yīng)力最小。
4.5溫度作用影響分析
橋涵設(shè)計(jì)中通常將溫度作用分成均勻溫度和梯度溫度兩種進(jìn)行考慮,均勻溫度變化相對(duì)較簡(jiǎn)單且早已被結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所考慮,而非線(xiàn)性的梯度溫度相對(duì)較復(fù)雜且往往是設(shè)計(jì)計(jì)算的控制因素。目前,日照豎向溫度梯度的確定主要是依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》,鋼筋混凝土箱形拱橋在施工過(guò)程中受到日照溫度的影響,其截面應(yīng)力將會(huì)產(chǎn)生變化,為了研究日照梯度溫度對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力作用的大小,計(jì)算規(guī)范規(guī)定的梯度溫度作用下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力,其結(jié)果如圖11所示。由圖11可知,在主拱圈澆筑過(guò)程中,由于日照溫度作用產(chǎn)生的每一環(huán)拱圈混凝土最大拉、壓應(yīng)力相差不大,其中最大拉應(yīng)力為0.79MPa,最大壓應(yīng)力為1.80MPa,溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)造成的影響不容忽視,主拱圈結(jié)構(gòu)應(yīng)該選取在凌晨溫度變化最小的時(shí)段進(jìn)行合攏澆筑。
5.主拱圈澆筑過(guò)程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析
在每一環(huán)混凝土澆筑完成后采用全站儀對(duì)鋼拱架產(chǎn)生變形進(jìn)行實(shí)測(cè),將實(shí)測(cè)值與理論值比較,如圖11~13所示;在第2環(huán)和第3環(huán)混凝土澆筑完成后采用施工過(guò)程中預(yù)埋的振弦式應(yīng)變計(jì)對(duì)底板混凝土相應(yīng)位置的應(yīng)力進(jìn)行實(shí)測(cè),將實(shí)測(cè)值與理論值比較,如圖14~15所示。從圖11~15中可得出,拱架拱頂變形和底板應(yīng)力大部分測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與理論值總體趨勢(shì)和走向一致(個(gè)別測(cè)點(diǎn)由于測(cè)試和計(jì)算誤差的存在,有一定的差別),表明了上述有限元計(jì)算與所確定的程序與方法的可靠性。
6.結(jié)論
采用Midas/Civil有限元軟件建立計(jì)算模型,對(duì)甘河溝大橋主橋相同分環(huán)方法、不同分段澆筑順序的混凝土拱圈受力及拱架變形分別進(jìn)行模擬和對(duì)比分析,確定了合理施工程序與方法,可得到如下結(jié)論:
1)拱圈第1環(huán)混凝土的施工只需考慮鋼拱架變形的影響,最優(yōu)的澆筑順序?yàn)椋汗澳_段一拱頂段一中間段。
2)拱圈第2環(huán)和第3環(huán)混凝土的施工需綜合考慮鋼拱架變形及前期成形拱圈混凝土應(yīng)力的影響,第2環(huán)混凝土澆筑順序?yàn)椋汗绊敹我还澳_段一中間段;第3環(huán)混凝土澆筑順序?yàn)椋汗绊敹?→中間段1→拱腳段1→拱頂段2→拱腳段2→中間段2。
3)選擇合理的拱上排架及空心板施工順序能有效減少拱圈拉應(yīng)力,降低混凝土裂縫出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn),拱上建筑最優(yōu)澆筑順序?yàn)椋汗绊斠还澳_。
4)拱圈施工過(guò)程中拱架變形及底板應(yīng)力的實(shí)測(cè)值與理論值總體上吻合較好,表明所確定的施工程序與方法合理可靠。