貝雷片折線形拱架設計關鍵點的研究

尹 超

（黔南布依族苗族自治州交通戰備辦公室，貴州 都勻 558000）

貝雷片折線形拱架設計關鍵點的研究

尹 超

（黔南布依族苗族自治州交通戰備辦公室，貴州 都勻 558000）

貝雷片折線形拱架作為一種應用在上承式拱橋的特殊施工方案，對于其性能狀況的分析是當今橋梁結構研究的熱點。本文將著重闡述關于該類拱架方案的各技術要點。首先本文對懸拼拱架在現今的應用情況做了一些簡介，然后分別敘述論證了貝雷片折線型拱架作為現澆主拱圈施工的重要受力結構的各個關鍵點。當中運用了Midas Civil 2010軟件來求解有限元模型。最后總結論述內容，并給出結論。

貝雷片折線形拱架；拱架結構；現澆主拱圈施工

前言

懸拼拱架施工方案是一種應用在上承式拱橋現澆主拱圈的特殊支架方案，在我國現代交通建設事業中發揮了積極重要的作用。而貝雷片折線形懸拼拱架作為懸拼拱架方案中的常用方案，其要求是非常嚴格的，它的設計一般須由具有相關資質的專業設計單位進行設計，施工由熟練并具有施工經驗的吊裝班組組織實施，整個施工過程必須實時監控，且根據具體情況提出施工控制對策。

懸拼拱架施工方案多應用在地質條件較為復雜的“V型”峽谷地貌上，該地貌在我國的重慶、貴州山區較多。這類方案有不少成功的例子，如重慶酉陽酉水特大橋（主拱圈跨徑120m）[1]、貴州思南柏楊大橋（主拱圈跨徑75m）[2]、貴州畢節吊南河大橋（主拱圈跨徑110m）[3]（見圖1）、貴州施秉江凱河大橋（主拱圈跨徑110m）[4]、貴州織金底那河大橋（主拱圈跨徑120m）[5]等，這些成功的施工典型都有著共同的特點，那就是規范的項目管理、嚴謹細致的施工方案、成熟的施工組織以及各關鍵環節有序的協調和銜接。該類型方案也有過失敗的教訓，例如2005年施工的貴州務川珍珠大橋（主拱圈跨徑120m），該橋方案失敗的根本原因主要在于渙散的項目管理、不嚴謹的施工組織設計和現場的違規操作，只是一個不經意間就造成了16人死亡、3人受傷、直接經濟損失352.1萬元的重大安全責任事故。由此可見，對于大跨徑的橋梁支架施工，是必須引起足夠重視的，任何一個關鍵點的疏忽，都將可能帶來不可想象的嚴重后果。

貝雷片折線型拱架作為拱架的一種常用類型，其原理是模擬圓弧拱，但由于貝雷片為直線段，所以必須設計專用的梯形鋼架作為轉折變形段，使其整體形式變為折線拱。對于拱腳處，須設計專門的鋼筋混凝土特殊拱座，并采用專用的三角鉸接頭連接靠近拱腳處的貝雷片；而對于拱頂處，須設計專門的合攏段，若合攏段在設計中利用原有的零構件不能滿足其要求的話，必須在合攏段前設計特制的貝雷片來達到要求。另外，在某些連接的較薄弱處還需要用型鋼橫聯剪刀撐加強拱架整體性。總之，貝雷片折線形拱架結構需要包含以下零構件及結構物：臨時拱座、拱腳三角鉸接頭、貝雷片（帶上下加強弦桿）、梯形鋼架、合攏段及相關構件、貝雷片連接片、型鋼等。

圖1 貴州畢節吊南河大橋拱架施工示意圖

1 拱架的設計原則

拱架作為現澆主拱圈的重要承受作用力支架，其結構的重要性不言而喻，那么一座拱架首先也是最重要的論證必須從其強度、剛度、穩定性及形變線型等多方面入手，同時拱架也必須兼顧其組裝功能使用和現澆主拱圈施工的合理性。總的來說，拱架的設計是必須通過結構論證，且充分結合現場施工實際的。

2 拱架設計的具體論述

2.1 例子的介紹及拱架設計的引入

貴州畢節吊南河大橋的拱架是一個既典型又特殊的貝雷片折線形拱架，典型在于該橋拱架包含了通常拱架所使用的結構物和零構件，同時其跨徑超過了100m，特殊是由于該方案創新性地在大跨徑拱架中使用了特 制貝雷片以修正合攏段。其布置圖如圖2、3、4所示。

圖2 貴州畢節吊南河大橋拱架立面布置圖

圖3 貴州畢節吊南河大橋拱架平面布置圖

在早期吊南河大橋拱架的設計中并沒有特制貝雷片的相關結構，其合攏段采用了9m平直段，結構形式如圖5所示。

圖5 貴州畢節吊南河大橋拱架合攏段原設計圖

這樣的合攏段在拱架設計上有諸多缺陷。首先，拱架合攏段施工時是采用現場量取長度，然后下料焊接，由于其跨徑太大，這樣會給懸空焊接定位型鋼造成諸多不便；其次，合攏段的上下弦桿的長度一致，這要求拱架最后一組拼裝節段在拼裝完畢后兩銷孔的連線與水平線是垂直的，而在實際的拼裝中難以保證其連線與水平線的垂直度；最后，也是安全隱患最大的，假如這種結構能按照設計要求施工出來，那么在拱架加載反壓拱頂的工況中會造成合攏段下撓，也就是拱頂下榻，這是拱架設計中不能滿足其形變線型的重要方面，將有可能帶來非常嚴重的安全質量問題。

另外，在當時關于吊南河大橋拱架合攏段的修正方案中，也提出過這樣的一種修改，其結構形式如圖6所示。

圖6 貴州畢節吊南河大橋拱架合攏段設計修改方案一圖

這樣的方案實際上在內部采用了楔形結構改變了合攏段構造，但是其方案的提出者仍然肯定了合攏段前的連接段，所以實際上對于拱架外部整體線型來說是沒有改變的，這樣的設計仍然可能帶來原方案中的重要安全隱患。

要使拱架結構滿足要求，就必須打破原有設計方案。所以最后得到的拱架合攏段設計方案如圖7所示。

圖7 貴州畢節吊南河大橋拱架合攏段新設計圖

這樣的結構形式采用了較為經典且合理的上弦桿長下弦桿短的楔形結構，而在中間過度連接段創新性地采用了特制的貝雷片來修正合攏段跨徑，這種結構從理論和實際上來說已經滿足了拱架結構要求。

對于拱架來說，一般在起拱段中采用三角鉸和兩片貝雷片連接作為一段，后面的伸長段一般采用3片貝雷片作為一直線段，每段直線段之間用梯形鋼架連接。一般沒有特殊情況，是不用設計特制貝雷片的，而吊南河大橋由于原有的零構件和現場條件不能滿足其拱架的線型，創新采用了特制貝雷片來修正合攏段，所以其最后一段直線段在3片貝雷片后還要延伸，每片貝雷片的長度為3m，特制貝雷片長度為1.76m，則最后一段直線段長度在11m以內。通常在拱架設計中，拱腳直線段長度控制在8m以內，正常直線段長度一般為9m，最高不要超過12m，而合攏段前的直線段如果需要使用特制貝雷片，該段長度最高不要超過11.5m較為合適。合攏段的設計尤其要注意，首先，合攏段前的直線段在拼裝后是必須有一定向上坡度的，這就保證了合攏段的結構形式為上弦桿長下弦桿短的楔形結構，一般上弦桿長度不要超過1.9m（對于跨徑在100m以上的拱架應小于1.5m），下弦桿長度不要超過1.4m（對于跨徑在100m以上的拱架應小于1m），這種結構設計能減小合攏段的彎曲正應力及剪應力，有助于將合攏段所承受荷載有效地傳遞到與之相鄰的直線段上，從而保證合攏段的結構安全性。

在拱架的拱腳段中，對于三角鉸的約束方式，在之前的一些類似施工方案中采用純鉸接而不加固拱腳固結段的結構約束。這樣的做法并不安全，因為拱腳作為荷載傳遞的基礎，如何保證其安全性是至關重要的，如果拱腳沒有采取固結措施，實際上是釋放了y方向（橫向）彎矩產生的彎曲正應力的約束，這樣就會使得整個拱架的撓度變大，特別是對于大跨徑拱架而言，安全系數會大打折扣。由此可知，拱架的拱腳段最好在拱架拼裝完畢扣索拆除后進行固結，這種做法有助于荷載的向下傳遞，并減小拱架的撓度。

關于拱架的橫向連接，首先必須確定拱架橫向每組之間的間隔距離，一般每個大組內的小組貝雷片之間間隔均為45cm，中間用45cm的貝雷片連接片按照梅花形分布進行連接。在吊南河大橋的拱架設計中，有一些大組的拱架著重布置在對應位置之上有腹板的位置，這樣的加強設計有助于加強其局部的強度，其做法是值得可取的，而大組與大組之間的距離通常有70cm（柏楊大橋）[2]、75cm（吊南河大橋）[3]和90cm（柏楊大橋）[2]。實際上，根據現場的施工經驗，一般大組之間的距離最好不要超過75cm，以保證其整體穩定性，而小組之間的距離以45cm為宜，每個大組應兼顧拱圈的澆筑而合理布置。

2.2 拱架結構的驗證

對于現澆普通箱式拱圈來說，驗證拱架的結構合理性，主要是驗證其強度、剛度、穩定性及形變線型是否達到要求，而拱架結構的節點和單元是非常多的，那么一種強大可靠的有限元計算方法必不可少。驗證強度即查看拱架在所有工況下每一個單元的應力是否超過其許用應力；剛度的驗證即查看拱架在所有工況下每一個節點的位移是否超過其許用極限；穩定性的驗證就是通過最不利工況下的屈曲分析，查看結構的整體特征許用值是否達標；而拱架形變線型的變化則是需要通過拱架在每個工況下位移的變化形狀來對拱架整體安全做出準確的判斷及合理的評價。

一般來說，現澆普通箱式拱圈為分環分段澆筑。分環即將箱式截面分為若干部分，其目的是在充分保證拱圈施工質量的情況下，將荷載合理施加到拱架上，以保證拱架結構安全。目前較為理想的現澆拱圈是三環澆筑，即第一環為整個拱圈底板（包括下馬蹄及橫隔板）至腹板以上10cm左右，第二環為剩余腹板（包括橫隔板，不包括上馬蹄），第三環為拱圈剩余部分及墊梁，并且在每次混凝土施工完畢到下一環施工前，必須嚴格對其接觸面作重點鑿毛處理，以保證拱圈的施工質量。分環澆筑中最關鍵的過程是第一環的施工，在很多以往施工案例里第一環拱圈混凝土的澆筑只進行到底板（包括下馬蹄及橫隔板），而后續施工中由于拱架對底板的反作用力和后續荷載對底板的積累，造成底板某些部位發生開裂現象，這是非常嚴重的；而后也有方案提出過拱圈混凝土分為兩環施工，每環施工一半，但是在這種情況下又會造成拱架荷載和位移增大，影響拱架的安全和拱圈的施工質量，所以經過充分的相關論證后，得到第一環混凝土澆筑除了應該包含底板外，還要到其上腹板10cm左右的位置，這種做法既能降低拱圈底板開裂的危險，同時也不會給拱架帶來較多的荷載，并且能有效控制拱圈混凝土的澆筑施工。分段澆筑的原理是根據動荷載對結構物的沖擊變形而得到的，它首先選取一部位進行荷載施加，當拱架局部應力和撓度及整體形變線型到達預定值時，再在另一部位施加荷載，以控制整體拱架的力學參數，以此類推，直到拱圈單環施工完畢。現在較為普遍的分段澆筑是從拱腳開始的，當兩岸對稱從拱腳向上澆筑至某一位置時，拱架的局部應力和位移及整體形變線型到達一預定值，此時反壓拱頂，以抵消上一階段施加的荷載對拱架的影響，當反壓拱頂對稱至拱頂兩邊的某一位置時，拱架的局部應力和位移及整體形變線型又到達另一預定值，再選取一部位進行對稱加載用于抵消到上一階段為止施加的積累荷載對拱架的影響，以此類推，直到該環混凝土施工完畢。所以要讓拱架的結構合理性達到要求，必須確定拱圈的澆筑方案，而澆筑方案首先要確定分環，把每一環的荷載統計后驗證拱架是否能夠承受，再來確定分段，從而得到最佳的拱圈現澆方案。

拱架的結構設計應該充分運用強大的有限元計算方法來完成，計算過程需要依托權威的有限元計算軟件來實現，這里主要應用了Midas Civil 2010。在拱架有限元前處理階段中，首先須保證整體建筑模型充分符合拱架設計圖所述，同時對每一個節點單元的邊界條件施加合理的約束，最后劃分施工階段，并定義每一階段的施工荷載。在分析過程中，對于拱架承受的荷載一般分析到開口箱澆筑完畢，即第二環施工完畢，但在第二環施工過程中并不考慮第一環已施工的結構物對荷載的承受能力，這樣的分析是偏于保守的。當然，如果在這樣的分析中拱架能夠滿足在所有工況下的結構合理性，那么就可以判定該拱架在實際施工過程中是可以達到預期目標的。這里需要注意的是，由于拱架每段線型與其相對應位置的拱圈重量不一樣，所以通常來說需要對對應位置的模板、鋼筋和混凝土荷載加權平均處理后施加到相應拱架位置，盡量模擬拱架在實際受壓過程中所承受的荷載。以吊南河大橋貝雷片折線拱架為例，其總體建模如圖8所示。

圖8 吊南河大橋拱架有限元建模圖

在后處理過程中，以我們所需要驗證的結構參數為依據，充分論證所有工況下的拱架力學結構參數，從而得出其結構評價。在此過程中特別需要注意的是在反壓拱頂工況下的位移形變圖的線型變化情況，如吊南河大橋拱架在第一環反壓拱頂工況下的組合位移圖如圖9所示。

圖9 吊南河大橋拱架第一環反壓拱頂工況下的組合位移示意圖

這是通過充分驗證了該拱架在分環分段合理性的情況下得出的較為理想的反壓拱頂形變線型圖，從圖上可以看出，拱架在此工況下能夠保證其不塌陷，并且位移變化最大的拱頂處也仍然保持向上拱起，這種形變線型是能夠滿足經驗要求的。

2.3 拱架相關的施工做法

在拱架的支架預壓中，預壓荷載一般只選取第一環施工包括之前的所有荷載，鋼筋和混凝土荷載大小通常為實際大小的120%，其余不變。加載過程一般分兩次，第1次為一次性加載100%荷載，充分模擬拱圈施工過程，第2次加載完剩下的20%荷載，以校驗拱架承受力的承載范圍，并且也能為實際施工中的不均勻加載提供了可靠保障。需要注意預壓的每一次加載應根據拱架與拱圈分段對應情況對荷載進行加權平均。拱架通過預壓能夠抵消其整體間隙較大的非彈性變形，同時也能有效得到拱架的彈性變形，使拱圈調平支架在施工過程中施加比有限元計算更為準確的預拱度，保證拱圈的施工質量。

浪風索是控制拱架橫向穩定并在拱架拼裝過程中調整軸線所用的，若浪風索使用過少，則不能控制拱架橫向穩定，且難以保證拱架軸線偏移；但浪風索使用過多，首先是浪費材料，再者加大了拱架豎直方向上的局部荷載，對拱架結構有一定影響。那么如何確定浪風的數量及布置位置就非常重要了，在吊南河大橋的拱架中，前三段拱架每一個9m段掛浪風索，后三段每一個4.5m段掛浪風索，這樣的做法是通過驗證后發現的較為合理的布置方法，該布置既不會對拱架結構造成太多不利影響，同時充分保證了拱架橫向穩定和軸線的可控性。同時由于吊南河大橋拱架左右幅同時施工，所以在施工中兩幅拱架內側的浪風設置創新性地采用了在左右幅拱架之間每一個3m段鋼管支架鎖死，鋼絲繩收緊的做法。這種做法在實際施工中起到了代替浪風索的作用，收到了較好的效果，但是其論證仍需要充分的理論支持。

在合攏段的施工過程中，一般要求合攏段合攏焊接工作在較低溫度的狀態下進行，這是通過在拱架結構設計中對比溫度變化情況發現的，如圖10、圖11所示。

圖10 吊南河大橋拱架第二環最后一個工況溫度升高13℃的組合應力示意圖

圖11 吊南河大橋拱架第二環最后一個工況溫度降低11℃的組合應力示意圖

從以圖10、圖11中可以看到，若拱架選取低溫狀態進行合攏之后溫度升高13℃的情況下，其組合應力大小要比后者降低11℃的情況低11.261MPa。由此可見，合攏段合攏過程中的環境控制溫度也是影響拱架質量好壞的一個重要因素。

3 總結

通過以上論述，可以看出，貝雷片折線形拱架的設計是一個集拱架本身結構和現場合理的拱圈施工方案為一體的綜合設計，它不僅需要力學結構的常規性論證，同時也應該結合實際經驗，得到較為合理的整體方案。由此得出了以下一些有意義的結論：

拱架合攏段不能采用平直的結構，必須采用上弦桿長、下弦桿段的楔形結構；拱架橫向布置應根據拱圈橫斷面作局部加強處理；在拱架有限元結構計算驗證中，必須保證拱架在反壓拱頂工況中不能塌陷；根據拱架設計和現場施工情況合理制定拱架荷載預壓和加載順序方案；若采用左右幅拱架同時施工，在沒有更合理的內側浪風情況下，可以采用在左右幅拱架之間鋼管支架鎖死，鋼絲繩收緊的做法；拱架應在較低溫度的狀態下進行合攏工作。

[1]楊政武，等.重慶酉陽酉水特大橋現澆貝雷片拱架應力、位移電算文件.貴州省橋梁工程總公司，2005:50-125.

[2]尹超.貴州思南柏楊大橋纜索吊裝及拱架計算書.貴州省公路工程集團有限公司，2011:2-66.

[3]尹超.貴州畢節吊南河大橋懸拼拱架專項方案的重大修正.貴州省公路工程集團有限公司，2012:1-63.

[4]李展明.現澆拱橋鋼桁拱架受力分析與施工[J].山東交通科技，2012.3:1-2.

[5]吳成智.貴州織金底那河大橋拱架施工控制[J].大連理工大學，2007:6-66.

U445.3

A

1671-3362（2013）07-0034-03

尹超（1987-），男，湖南大學工程力學專業，大學本科學歷，工學學士學位，助理工程師，曾研究大跨徑橋梁施工支架結構，在貴州省公路工程集團有限公司著有《貴州思南柏楊大橋纜索吊裝及拱架計算書》、《貴州畢節吊南河大橋懸拼拱架專項方案的重大修正》等技術方案，現工作于黔南州人民防空（交通戰備）辦公室。