山區高大跨連拱支架設計與研究

趙　陽　王建金

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司　貴陽　550081)

山區高大跨連拱支架設計與研究

趙陽王建金

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司貴陽550081)

摘要依托一座6跨連續的上承式拱橋，闡述了主拱圈的支架設計過程，并進行了相關的分析研究。針對工程特點，支架體系采用鋼拱架下接鋼管柱的結構形式。為保證主拱圈澆注的質量以及施工過程的安全，文中采用大型通用有限元軟件Midas Civil對支架進行了有限元仿真模擬，分析了在相應荷載下支架的應力、變形及穩定性，以利結構的安全設計。

關鍵詞上承式拱橋支架有限元安全設計

貴州省由于地形地貌以高原山地為主，山體巖層堅硬，且橋梁以跨越深谷或水道為主,故貴州省常見的橋型為拱橋。支架法施工澆筑主拱圈常采用滿堂支架形式，對于高大跨的多跨連續拱橋而言，需要采用特殊的支架形式。本文針對這類高大跨拱橋，提出了相應支架結構形式，并采用有限元仿真分析方法研究了這類支架結構的受力特性。

1連拱結構特點及支架布置

1.1連拱總體布置

該橋結構形式為槽殼、排架、主拱圈的組合上承式拱橋結構，渡槽主槽為C30混凝土簡支U形槽殼；支撐于C25鋼筋混凝土排架柱上，排架則直接坐落于拱圈上，最高達到28 m；主拱圈單跨108 m，矢高為27 m，采用6跨連續布置，主拱圈頂離地面高達67 m，拱圈截面采用雙箱式箱梁。橋型布置見圖1。

圖1　青年隊渡槽連拱總體布置圖(單位:cm)

渡槽連拱拱圈施工方案對有支架法與無支架法進行了相應的比選。由于青年隊渡槽為連拱渡槽，采用預制吊裝時，最大分塊重量相對較大，這要求中間塔架的剛度、強度十分高，且施工控制的難度較大，具有一定的工程風險，因此最終采用有支架法施工[1]。

采用支架法施工該連拱有2點難度：①主拱圈頂距離地面高度太高，最高處達到64 m，必須設計特殊的支架結構來滿足強度、剛度，尤其是結構穩定性的要求；②該拱橋為6跨連續，為避免連拱效應必須6跨滿布支架并同步進行澆筑，這對支架結構的要求將更加嚴格，同時必須優化結構以降低工程造價。

1.2支架形式的確定

青年隊渡槽主拱圈截面為雙箱型截面，箱寬6 m，箱高2.2 m，頂、底板厚度為30 cm，3道腹板厚度均為40 cm。箱型主拱圈重量相對于現澆施工而言難度不大，但是主拱圈距離地面高度過高，若采用普通鋼管立柱上接貝雷梁的支架現澆結構形式，結構的屈曲穩定性要大打折扣。

因此，本工程選擇了鋼拱架形式的支架體系，利用現有的拱座，搭設好的鋼拱架結構在豎向荷載作用下，拱腳將產生水平推力，減小主拱圈的截面彎矩，從而大大地增加了跨越能力[2]。但由于鋼拱架矢跨比較小，拱架跨中必須設置一些豎向支撐以滿足受力要求，故最終的結構形式為鋼拱架下接鋼管柱的支架形式，其布置圖見圖2。

圖2　支架結構布置圖(一跨)

如圖2所示，支架的組成從下至上為：C30混凝土基礎；橫橋向5根、縱橋向2根直徑×壁厚∏630 mm×8 mm鋼管，采用L80×10角鋼焊接成格構柱的形式；橫橋向的分配梁采用2根焊接的I32a型工字鋼；貝雷拱架橫向由14片貝雷組成，貝雷橫向用L50×5角鋼標準花架連接，縱向由8×14片異形塊相連，拱腳處由異形塊連接貝雷拱架和拱座；100 mm×100 mm方木。其中格構柱結構縱向之間利用3根直徑×壁厚=350 mm×6 mm鋼管連接，以增強格構柱的屈曲穩定性，橫向布置見圖3。

圖3　支架結構橫向布置圖

2支架結構三維有限元模型

由于支架結構為空間的桿系單元組成，本文采用大型通用有限元軟件Midas Civil進行支架結構的仿真分析，全支架結構采用桿系有限元進行模擬。

2.1荷載說明

支架體系荷載包括3個方面：

(1) 永久荷載標準值，包括作用在模板支架上的主拱圈結構荷載、組成模板支架結構的桿系自重、配件自重，以FGK表示。

(2) 可變荷載標準值，包括人群、混凝土振搗FQK。

(3) 靜力風荷載標準值FWK。

本文進行支架強度時的荷載設計值，取其標準值乘以相應的分項系數：永久荷載的分項系數，取1.2；可變荷載的分項系數，取1.4；風荷載取1.0。即

(1)

2.2邊界條件

邊界條件的各桿件耦合自由度問題，作如下安排。

(1) 鋼管柱底部的6個方向的自由度全約束。

(2) 約束鋼管柱頂部與分配工字鋼的六向自由度。

(3) 約束分配工字鋼與貝雷梁底部接觸節點的三向線位移自由度。

(4) 約束貝雷梁頂部接觸節點與分配方木的三向線位移自由度。

2.3模型建立

根據現場地質條件來看，整個地區地質較好，巖體完整，且本工程中鋼管立柱下設置混凝土基礎，使得各立柱底座發生的位移偏差十分小，對整個支架系統而言，引起的附加內力較小可忽略，因此模型中所有立柱底座采用剛性約束。

哈爾濱工業大學劉宗仁教授[3]為此提出一種概念，既旋轉扣件連接而成的扣件式支架系統，各桿件的連接處處于“半剛性”的狀態，且螺栓松緊程度影響了其整體穩定性。實際工程里，受到施工中各種條件的約束，且高空焊接作業較為困難，許多連接件的焊接并未按照理想狀態進行。例如分配工字鋼與貝雷梁底部接觸節點的側向線位移由于焊接條件有限，筆者認為施加其連接的邊界條件時，需通過MidasCivil中彈性連接來施加，X，Y向剛度給定一個較小值10kN/mm，豎向剛度取無窮大109kN/mm。

模型根據直接結構體系實際的空間布置，由于支架體系較高，考慮到靜力風荷載，本文選取距離拱頂最高(高達67m)第三跨作為最不利的模型進行有限元計算分析，模型建立見圖4。

圖4　支架結構有限元模型圖

3支架結構計算結果與分析

支架結構的驗算分為3個部分，結構強度驗算以確保體系的安全；結構剛度驗算，確保主拱圈的澆注時不會因為模板變形大而出現裂縫等病害；結構穩定性驗算，確保結構在荷載作用下處于某種平衡狀態，以保證支架結構的安全。

3.1支架結構強度

通過有限元分析計算處理，得出各桿件的應力值見表1。

表1　支架結構各桿件應力值

根據文獻[4]規定Q345A強度設計值(f=295MPa)，Q235A強度設計值(f=205MPa)。

鋼拱架包括貝雷梁與異形塊，其材料采用Q345鋼，其中整個支架體系中鋼拱架的異形塊受力最大，達到其強度設計值的87.3%；鋼拱架下方各鋼構件均采用Q235鋼，直徑630mm鋼管受力為該類鋼中受力最大構件，達到Q235A鋼強度設計值的48.8%。

由此可知，在加工鋼拱架時必須嚴格控制焊接、拼接質量，精確控制吊裝過程，確保鋼拱架的強度達到要求。

3.2支架結構剛度

模板變形過大將影響上部結構的線性，還將引起澆注不均勻，從而形成裂縫，降低主拱圈的承載能力。

根據文獻[5]中規定，撓度不得超過模板構件跨度的1/400，其中摸板承力構件為貝雷梁，且其豎向位移見圖5，最大值為12.85mm，小于其跨度的1/400，貝雷梁的跨度L=15m，所以L/400為37.5mm>12.85mm，剛度滿足規范要求。

圖5　支架模板承力構件變形

3.3支架結構穩定性

結構軸向承受壓力時，如果荷載在臨界載荷以內，給結構一個橫向力來干擾，結構就會發生一定的撓曲變形，但是，撤銷這個橫向力時，結構將回到初始的平衡狀態，此時結構桿件處于穩定的彈性平衡狀態。若軸向荷載大于臨界載荷，結構的應力剛化產生的應力剛度矩陣就會抵消結構本身的剛度矩陣，這時結構施加一個很小的橫向力就會產生一定的撓曲變形，而且在撤銷這個橫向力后結構不能恢復到原有的平衡狀態，這就是結構失穩理論。

對于支架結構這類龐大的鋼結構體系，必須通過屈曲分析，本文采用有限元建模進行了相應的穩定性分析，其三階屈曲分析臨界荷載失穩特性值分別為4.014，4.032，4.393，均大于4，其中第一階屈曲模態圖見圖6。

圖6　支架結構一階屈曲模態圖

由圖6可見，其失穩特性值為4.014，滿足要求。圖中標記為最先失穩部位的鋼拱架異形塊，這表明支架體系中異形塊不僅應力值最大、也是穩定性相對較弱的部位。

根據計算結果，當拆除完2號梁段支架時，4號、5號梁段間支架處反力達到670kN>Fmax，且當3號支架拆完后，該點反力已達到840kN，超過最大能承受反力的140%。

4結語

(1) 本文對一類高大跨的拱橋主拱圈現澆支架設計進行了闡述，可為相關工程提供特定參考。

(2) 采用MidasCivil有限元軟件對支架結構進行了建模分析計算，得出該三維有限元模型建立的思想能較好地模擬龐大支架體系。

(3) 鋼拱架及鋼管支撐的組合結構作為支架體系現澆主拱圈時，其最不利受力構件為連接貝雷片的異形塊，施工過程中必須嚴格控制異形塊的制作以及異形塊與貝雷梁間的連接。

參考文獻

[1]陳萬敏.連拱高大跨渡槽施工方案設計[J].中國水運，2013(6)：242-243.

[2]邵旭東.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社,2012.

[3]劉宗仁.扣件式鋼管腳手架臨界力下限計算方法[J].建筑技術，2001,32(8):541，543.

[4]GB50017-2003鋼結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2003.

[5]JTG/TF50-2011公路橋涵施工技術規范[S].北京：人民交通出版社,2011.

收稿日期：2014-10-21

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.009