李 進(jìn)，黃 華，李學(xué)才

(中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065)

大跨徑拱橋施工貝雷梁拱架的設(shè)計(jì)與分析

李 進(jìn)，黃 華，李學(xué)才

(中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065)

為解決山區(qū)、庫區(qū)大跨徑拱橋施工支架難搭設(shè)的問題，介紹了一種不受洪水與地形的影響、縱向?yàn)楣靶舞旒?、以穩(wěn)定性好的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程各工況下的力學(xué)性能。結(jié)果表明，在拱肋澆筑的各個(gè)節(jié)段，貝雷梁拱架的應(yīng)力、變形和穩(wěn)定性均滿足相關(guān)施工規(guī)范要求。

大跨徑拱橋；貝雷梁拱架；有限元仿真；拱肋

0 引 言

受地形、洪水、建筑材料和工程造價(jià)的影響，采用傳統(tǒng)滿堂支架在山區(qū)、庫區(qū)修建大跨徑鋼筋混凝土拱橋，勢(shì)必出現(xiàn)拱架結(jié)構(gòu)復(fù)雜、拼裝困難和臨時(shí)費(fèi)用過高等問題[1-2]。為解決山區(qū)、庫區(qū)修建大跨徑拱橋的諸多問題，介紹一種不受洪水與地形影響、穩(wěn)定性好、縱向?yàn)楣靶舞旒?、以貝雷梁拱架[3]為支架的拱肋分段分環(huán)施工技術(shù)。貝雷梁鋼拱架的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性直接影響拱橋的施工質(zhì)量，本文采用有限元仿真技術(shù)和經(jīng)典力學(xué)理論，分析貝雷梁鋼拱架在施工過程各工況下的力學(xué)性能[4]；并以凌云縣坡貼水庫大橋施工為例，介紹此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，供同類橋梁的設(shè)計(jì)和施工參考。

1 工程概況

凌云縣坡貼水庫大橋橫跨廣西百色凌云縣坡貼水庫，為主跨90 m上承式鋼筋混凝土箱形肋拱橋，橋位兩岸呈V型溝谷地形。

大橋采用1.6 m×1.5 m等截面拋物線箱形拱肋，兩拱肋間設(shè)置8道0.8 m×1.5 m的空心矩形橫系梁，拱肋為C50鋼筋混凝土，橫系梁為C30鋼筋混凝土；拱上立柱為1.0 m×1.0 m和1.2 m×1.2 m的等截面方柱，立柱底座為1.2 m×1.2 m的等截面方柱，立柱及底座均采用C30鋼筋混凝土；蓋梁采用5.5 m×1.2 m×1 m的C30鋼筋混凝土；拱上橋面板為10 m長(zhǎng)C30鋼筋混凝土空心板，橋面無人行道，兩側(cè)設(shè)25 cm寬的欄桿。橋臺(tái)均為重力式U形橋臺(tái)，擴(kuò)大基礎(chǔ)。0#、9#主拱座為C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主拱座上設(shè)置重力式U形橋臺(tái)，基礎(chǔ)和臺(tái)身選用C15片石混凝土，臺(tái)帽為C30鋼筋混凝土。

本橋施工采用貝雷梁拱架支架現(xiàn)澆法，兩岸貝雷梁拼裝拱架，豎向轉(zhuǎn)體合龍就位，并附設(shè)施工便道，經(jīng)預(yù)壓拱架調(diào)整標(biāo)高后，立拱肋模板，分段分環(huán)澆注拱肋混凝土，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%后拆除拱肋側(cè)模，再對(duì)稱澆注立柱混凝土，然后拆除貝雷梁拱架上的兩側(cè)護(hù)網(wǎng)、底模下的方木和聯(lián)系槽鋼，最后采用落拱裝置脫空底模，并利用混凝土拱肋拆除拱架。

2 貝雷梁拱架設(shè)計(jì)

2.1 貝雷梁拱架結(jié)構(gòu)

凌云縣坡貼水庫大橋拱肋現(xiàn)澆貝雷梁拱架，縱橋向由28片貝雷梁、2片拱腳異形構(gòu)件和13片T型連接件拼裝而成，其中拱腳異形構(gòu)件用于拱架豎向轉(zhuǎn)體，T型連接件用于克服拱架上、下弦長(zhǎng)度差從而擬合拱架曲線；橫橋向由10榀加強(qiáng)型貝雷梁拼裝而成，各貝雷梁之間采用45 cm花架橫向連接；拱架上弦由騎馬螺栓固定I20a分配梁，分配梁上設(shè)置10 cm×10 cm拱形木方，由楔形塊調(diào)整其標(biāo)高。貝雷梁拱架立面如圖1所示，橫斷面如圖2所示。

圖1 貝雷梁拱架立面

圖2 貝雷梁拱架橫斷面

2.2 基本設(shè)計(jì)參數(shù)

拱肋混凝土施工考慮1.05的超載系數(shù)，混凝土容重26 kN·m-3；模板重量取2.0 kN·m-2；其他施工荷載取2.5 kN·m-2；傾倒混凝土及振搗混凝土荷載取4.0 kN·m-2；混凝土澆注時(shí)動(dòng)力系數(shù)取1.2；支架自重由Midas Civil程序自動(dòng)計(jì)入；基本設(shè)計(jì)風(fēng)速為20.4 m·s-1。

3 有限元仿真

3.1 仿真模型

在大型有限元軟件MIDAS中，貝雷片梁拱架上下弦桿、腹桿、橫向聯(lián)系及分配梁采用空間梁?jiǎn)卧⒇惱琢汗凹軐?shí)體模型[5-6]。貝雷梁拱架自重由Midas Civil程序自動(dòng)計(jì)入，混凝土澆注荷載、施工荷載、振搗荷載、風(fēng)荷載作為外荷載施加在模型上。通過MIDAS建立的貝雷梁拱架實(shí)體模型如圖3所示。

圖3 貝雷梁拱架實(shí)體模型

3.2 荷載工況

(1)工況1(澆注第一段拱肋混凝土)。荷載組合為：1.1倍貝雷梁拱架自重，1.26倍第一段拱肋混凝土自重，1.0倍第一段拱肋范圍內(nèi)模板荷載，1.0倍第一段拱肋范圍內(nèi)施工人、機(jī)、料自重和1.0倍第一段拱肋范圍內(nèi)振搗荷載。

(2)工況2(澆注第二段拱肋混凝土)。荷載組合為：1.1倍貝雷梁拱架自重，1.05倍第一段拱肋混凝土自重，1.26倍第二段拱肋混凝土自重，1.0倍第一、二段拱肋范圍內(nèi)模板荷載、1.0倍第二段拱肋范圍內(nèi)施工人、機(jī)、料自重和1.0倍第二段拱肋范圍內(nèi)振搗荷載。

(3)工況3(澆注第三段拱肋混凝土)。荷載組合為：1.1倍貝雷梁拱架自重，1.05倍第一段拱肋混凝土自重，1.05倍第二段拱肋混凝土自重，1.26倍第三段拱肋混凝土自重，1.0倍第一、二、三段拱肋范圍內(nèi)模板荷載，1.0倍第三段拱肋范圍內(nèi)施工人、機(jī)、料自重和1.0倍第三段拱肋范圍內(nèi)振搗荷載。

(4)工況4(澆注第四段拱肋混凝土)。荷載組合為：1.1倍貝雷梁拱架自重，1.05倍第一段拱肋混凝土自重，1.05倍第二段拱肋混凝土自重，1.05倍第三段拱肋混凝土自重，1.26倍第四段拱肋混凝土自重，1.0倍第一、二、三、四段拱肋范圍內(nèi)模板荷載，1.0倍第四段拱肋范圍內(nèi)施工人、機(jī)、料自重和1.0倍第四段拱肋范圍內(nèi)振搗荷載。

3.3 靜力結(jié)果

(1)工況1貝雷梁拱架各桿件應(yīng)力、位移計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 工況1應(yīng)力位移計(jì)算結(jié)果

(2)工況2貝雷梁拱架各桿件應(yīng)力、位移計(jì)算結(jié)果見表2。

(3)工況3貝雷梁拱架各桿件應(yīng)力、位移計(jì)算結(jié)果見表3。

(4)工況4貝雷梁拱架各桿件應(yīng)力、位移計(jì)算結(jié)果見表4。

表2 工況2應(yīng)力位移計(jì)算結(jié)果

表3 工況3應(yīng)力位移計(jì)算結(jié)果

表4 工況4應(yīng)力位移計(jì)算結(jié)果

3.4 動(dòng)力結(jié)果分析

模態(tài)參數(shù)是結(jié)構(gòu)物自身的固有特性，每一個(gè)結(jié)構(gòu)都有其固有的模態(tài)參數(shù)，它是進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗風(fēng)、抵抗波浪沖擊動(dòng)力特性分析的基礎(chǔ)[7-10]。貝雷梁拱架的組成構(gòu)件多，自由度數(shù)多，要想獲得全部各階的頻率和振型幾乎是不可能的[11-15]。一般說來，結(jié)構(gòu)前幾階頻率對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響起決定作用，因此，本文采用子空間迭代法計(jì)算結(jié)構(gòu)的自振頻率和相應(yīng)的振型，并提取前5階頻率和相應(yīng)振型進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析，得到的貝雷梁拱架自振頻率見表5。

表5 貝雷梁拱架動(dòng)力分析結(jié)果

從表5可知：貝雷梁拱架支架的各階振動(dòng)頻率較高，反映出結(jié)構(gòu)整體剛度較大；貝雷梁支架各階頻率分布比較集中，反映出該結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的復(fù)雜性[16-20]。

綜上，貝雷梁拱架各桿件組合應(yīng)力均小于相關(guān)施工規(guī)范規(guī)定的容許應(yīng)力值；最大位移為0.079 8 m(位于拱架分配梁)，能夠滿足施工過程中對(duì)變形控制的要求；貝雷梁拱架各階頻率較高且集中，能夠滿足施工過程中的穩(wěn)定性要求。因此，凌云縣坡貼水庫大橋貝雷梁拱架的設(shè)計(jì)是合理、可行和可靠的，能夠滿足施工過程中對(duì)支架構(gòu)件應(yīng)力、變形和穩(wěn)定性的要求。

4 局部結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

4.1 銷軸抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算

4.1.1 貝雷銷軸

貝雷梁連接銷軸由30CrMnTi鋼制作，該型號(hào)鋼材容許彎曲應(yīng)力[σ]=1 105 MPa，容許剪刀應(yīng)力[τ]=585 MPa。由《裝配式公路鋼橋使用手冊(cè)》可知，貝雷梁銷軸的直徑D1=4.95 cm。

(1)容許抗彎能力計(jì)算。貝雷銷軸計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 貝雷銷軸計(jì)算簡(jiǎn)圖

4.1.2 拱腳銷軸(轉(zhuǎn)動(dòng)工況)

拱腳銷軸采用40CrMnTi鋼，直徑D2=49.5 mm。由于結(jié)構(gòu)受力為雙剪，最大剪力F1=120 kN，故拱腳銷軸(轉(zhuǎn)動(dòng)工況)承受剪應(yīng)力

故拱腳銷軸(轉(zhuǎn)動(dòng)工況)的抗剪強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

4.1.3 拱腳銷軸(澆注工況)

拱腳銷軸采用40CrMnTi鋼，直徑D3=49.5 mm。由于結(jié)構(gòu)受力為雙剪，最大剪力F2=169.7 kN，故拱腳銷軸(澆注工況)承受剪應(yīng)力

故拱腳銷軸(澆注工況)的抗剪強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

4.2 拱腳耳板驗(yàn)算

(1)剪切強(qiáng)度的驗(yàn)算。貝雷梁拱架拱腳耳板材料采用Q345鋼，板厚30 mm，其許用彎曲應(yīng)力[σw]=295 MPa，許用剪切應(yīng)力[τ1]=170 MPa，許用擠壓應(yīng)力[σbs]=300 MPa，貝雷梁拱架拱腳耳板最不利受力F2=169.7 kN，銷孔邊緣距節(jié)點(diǎn)板端部最近距離為50 mm，依此進(jìn)行剪切強(qiáng)度的計(jì)算，則拱腳耳板承受的剪應(yīng)力

式中：A1為拱腳耳板受剪切力的面積。

τ3<[τ1]，故貝雷梁拱架拱腳耳板的抗剪強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

(2)擠壓強(qiáng)度的驗(yàn)算。鋼拱架拱腳耳板局部擠壓強(qiáng)度的計(jì)算采用最不利受力狀態(tài)，耳板受最大壓力F2=169.7 kN，則拱腳耳板承受擠壓應(yīng)力

式中：A2為拱腳耳板受擠壓力的面積。

σ1<[σbs]，故貝雷梁拱架拱腳耳板的抗擠壓強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

4.3 預(yù)埋件耳板驗(yàn)算

(1)剪切強(qiáng)度的驗(yàn)算。預(yù)埋件耳板材料采用Q345鋼，板厚20 mm，其技術(shù)參數(shù)為[σw]=295 MPa，[τ1]=170 MPa，[σbs]=300 MPa，預(yù)埋件耳板最不利受力F2=169.7 kN，銷孔邊緣距節(jié)點(diǎn)板端部最近距離為50 mm(雙剪)，依此進(jìn)行剪切強(qiáng)度的計(jì)算，則預(yù)埋件耳板承受剪應(yīng)力

式中：A3為預(yù)埋件耳板受剪切力的面積。

τ4<[τ1]，故預(yù)埋件耳板的抗剪強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

(2)擠壓強(qiáng)度的計(jì)算。預(yù)埋件耳板局部擠壓強(qiáng)度的計(jì)算采用最不利受力狀態(tài)，耳板受最大壓力F2=169.7 kN，則預(yù)埋件耳板承受擠壓應(yīng)力

式中：A4為預(yù)埋件耳板受擠壓力的面積。

σ2<[σbs]，故預(yù)埋件耳板的抗擠壓強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

5 結(jié) 語

為解決山區(qū)、庫區(qū)大跨徑拱橋施工支架難搭設(shè)的問題，本文介紹一種不受洪水與地形影響、穩(wěn)定性好、縱向?yàn)楣靶舞旒?、以貝雷梁拱架為支架的拱肋分段分環(huán)施工技術(shù)。采用有限元仿真技術(shù)和經(jīng)典力學(xué)理論分析貝雷梁鋼拱架在施工過程各工況下的力學(xué)性能。結(jié)果表明，在拱肋澆筑的各個(gè)節(jié)段，貝雷梁拱架的應(yīng)力、變形和穩(wěn)定性均滿足相關(guān)施工規(guī)范要求。

貝雷梁拱架在大跨徑拱橋現(xiàn)澆施工方面有以下優(yōu)點(diǎn)：施工進(jìn)度快，質(zhì)量好，成本低；拱架跨中無豎向支撐，橋高、水深、橋下需要通航或通車時(shí)尤為適用；拱架縱向?yàn)楣靶慰臻g桁架體系，橫向用特制橫聯(lián)裝置連接，且下平面設(shè)置有連接系，整個(gè)結(jié)構(gòu)連接牢固，整體性好，使用安全可靠；經(jīng)濟(jì)效益顯著，用鋼量、用木量少，且可多次重復(fù)使用，材料周轉(zhuǎn)快；施工進(jìn)度快，安裝、拆卸方便，不受洪水影響，可全年施工，建橋周期短；構(gòu)件種類少、輕便，具備可換性，損耗率低。

綜上所述，凌云縣坡貼水庫大橋成功采用貝雷梁拱架作為拱肋支架的施工工藝，可為今后類似拱橋施工提供一種新的思路。

[1] 楊天貴.貝雷片鋼拱架在山區(qū)河流上拆橋和建橋的應(yīng)用[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2007，36(2):89-91.

[2] 劉山洪,崔瑩華,劉 毅.曾家溝大橋拱架設(shè)計(jì)與分析[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,27(S1) :867-870.

[3] 謝承目,李進(jìn)洲.百米鋼拱架整體橫移技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用[J].公路交通科技:應(yīng)用技術(shù)版,2005(6):103-105.

[4] 劉泗平,安竹石,牟洪仲.拱橋施工中三種常用鋼拱架行為對(duì)比[J].貴州大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,27(4):123-126.

[5] 胡崇武,范立礎(chǔ).丹河大橋拱圈與拱架共同作用研究[J].公路,2005(4):50-52.

[6] 胡崇武,范立礎(chǔ).大跨度分步施工石拱橋仿真分析[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2002，15(4)：53-56

[7] 周水興,顧安邦.分層分段澆注混凝土箱拱的徐變收縮模型試驗(yàn)研究[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),1997,10(1):44-50.

[8] 郭彥林,林 冰,郭宇飛.焊接工字形截面拋物線拱平面內(nèi)穩(wěn)定性試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2009,30(3):95-102。

[9] 徐 偉.大跨度變曲率腹板開孔鋼拱架的平面內(nèi)穩(wěn)定性研究[D].南京:東南大學(xué),2009.

[10] 汪勝輝,王俊平,曾 濤.鋼拱穩(wěn)定理論的概述[J].山西建筑,2008,34(3):99-100.

[11] 饒芝英,童根樹.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的新詮釋[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2002,32(5):12-14.

[12] 曹 婧.三心拱穩(wěn)定極限承載力分析[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2007.

[13] 李國(guó)強(qiáng),劉玉姝.鋼結(jié)構(gòu)框架體系整體非線性分析研究綜述[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2003,31(2):38-144.

[14] 曹 欣.大跨度多弧形鋼拱結(jié)構(gòu)的受力性能研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2008.

[15] 向中富,徐君蘭.拱橋拱架施工過程中的結(jié)構(gòu)行為分析[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào),2001,20(S1):17-22.

[16] 湯小波，謝冀萍，趙世春，等.萬縣長(zhǎng)江大橋鋼筋混凝土拱模型試驗(yàn)研究[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),1994,29(4):362-367.

[17] 楊勇翔,吳 迅,鄒元元.拱結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論的發(fā)展[J].山西建筑,2004,30(14):27-28.

[18] 張綺生.鋼筋混凝土拱橋的施工方法[J].企業(yè)科技與發(fā)展,2008(16):116-118.

[19] 王懷林.大跨徑鋼筋混凝土箱型拱橋的設(shè)計(jì)與施工工藝[J].公路交通科技:應(yīng)用技術(shù)版,2009(5):181-184.

[20] 張興華.貝雷拱架設(shè)計(jì)與優(yōu)化[D].大連:大連理工大學(xué),2010.

DesignandAnalysisofBaileyBeamArchforConstructionofLongSpanArchBridge

LI Jin, HUANG Hua, LI Xue-cai

(CCCC Second Highway Engineering Co., Ltd., Xi’an 710065, Shaanxi, China)

In order to solve the problem of difficult construction of large span arch bridge in mountainous area and reservoir area, the construction technology of arch rib segmenting with Bailey beam arch as support was introduced, which is not affected by flood and terrain, and is steady and vertically arched truss. Based on the finite element simulation and the classical mechanics, the mechanical properties of the Bailey beam arch were analyzed under various working conditions. The results show that for every section of the arch rib, the stress, deformation and stability of the Bailey beam arch satisfy the requirements of construction specifications.

long span arch bridge; Bailey beam arch; finite element simulation; arch rib

U442.5

B

1000-033X(2017)11-0055-05

2017-04-07

中國(guó)交建重點(diǎn)科技研發(fā)項(xiàng)目(2011-ZJKJ-24)

李 進(jìn)(1983-)，男，陜西延安人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)榇罂鐦蛄涸O(shè)計(jì)與施工技術(shù)。

[責(zé)任編輯:王玉玲]