大跨徑拱橋施工貝雷梁拱架的設計與分析

李 進，黃 華，李學才

(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計與分析

李 進，黃 華，李學才

(中交第二公路工程局有限公司，陜西 西安 710065)

為解決山區、庫區大跨徑拱橋施工支架難搭設的問題，介紹了一種不受洪水與地形的影響、縱向為拱形桁架、以穩定性好的貝雷梁拱架為支架的拱肋分段分環施工技術，并采用有限元仿真技術和經典力學，分析貝雷梁鋼拱架在施工過程各工況下的力學性能。結果表明，在拱肋澆筑的各個節段，貝雷梁拱架的應力、變形和穩定性均滿足相關施工規范要求。

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的影響，采用傳統滿堂支架在山區、庫區修建大跨徑鋼筋混凝土拱橋，勢必出現拱架結構復雜、拼裝困難和臨時費用過高等問題[1-2]。為解決山區、庫區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、穩定性好、縱向為拱形桁架、以貝雷梁拱架[3]為支架的拱肋分段分環施工技術。貝雷梁鋼拱架的強度、剛度和穩定性直接影響拱橋的施工質量，本文采用有限元仿真技術和經典力學理論，分析貝雷梁鋼拱架在施工過程各工況下的力學性能[4]；并以凌云縣坡貼水庫大橋施工為例，介紹此項技術的應用，供同類橋梁的設計和施工參考。

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C30鋼筋混凝土空心板，橋面無人行道，兩側設25 cm寬的欄桿。橋臺均為重力式U形橋臺，擴大基礎。0#、9#主拱座為C30鋼筋混凝土結構，主拱座上設置重力式U形橋臺，基礎和臺身選用C15片石混凝土，臺帽為C30鋼筋混凝土。

本橋施工采用貝雷梁拱架支架現澆法，兩岸貝雷梁拼裝拱架，豎向轉體合龍就位，并附設施工便道，經預壓拱架調整標高后，立拱肋模板，分段分環澆注拱肋混凝土，待混凝土強度達到100%后拆除拱肋側模，再對稱澆注立柱混凝土，然后拆除貝雷梁拱架上的兩側護網、底模下的方木和聯系槽鋼，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 貝雷梁拱架設計

2.1 貝雷梁拱架結構

凌云縣坡貼水庫大橋拱肋現澆貝雷梁拱架，縱橋向由28片貝雷梁、2片拱腳異形構件和13片T型連接件拼裝而成，其中拱腳異形構件用于拱架豎向轉體，T型連接件用于克服拱架上、下弦長度差從而擬合拱架曲線；橫橋向由10榀加強型貝雷梁拼裝而成，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，分配梁上設置10 cm×10 cm拱形木方，由楔形塊調整其標高。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 基本設計參數

拱肋混凝土施工考慮1.05的超載系數，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；混凝土澆注時動力系數取1.2；支架自重由Midas Civil程序自動計入；基本設計風速為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、橫向聯系及分配梁采用空間梁單元建立貝雷梁拱架實體模型[5-6]。貝雷梁拱架自重由Midas Civil程序自動計入，混凝土澆注荷載、施工荷載、振搗荷載、風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體模型如圖3所示。

圖3 貝雷梁拱架實體模型

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模板荷載，1.0倍第一段拱肋范圍內施工人、機、料自重和1.0倍第一段拱肋范圍內振搗荷載。

(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、二段拱肋范圍內模板荷載、1.0倍第二段拱肋范圍內施工人、機、料自重和1.0倍第二段拱肋范圍內振搗荷載。

(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、三段拱肋范圍內模板荷載，1.0倍第三段拱肋范圍內施工人、機、料自重和1.0倍第三段拱肋范圍內振搗荷載。

(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、四段拱肋范圍內模板荷載，1.0倍第四段拱肋范圍內施工人、機、料自重和1.0倍第四段拱肋范圍內振搗荷載。

3.3 靜力結果

(1)工況1貝雷梁拱架各桿件應力、位移計算結果見表1。

表1 工況1應力位移計算結果

(2)工況2貝雷梁拱架各桿件應力、位移計算結果見表2。

(3)工況3貝雷梁拱架各桿件應力、位移計算結果見表3。

(4)工況4貝雷梁拱架各桿件應力、位移計算結果見表4。

表2 工況2應力位移計算結果

表3 工況3應力位移計算結果

表4 工況4應力位移計算結果

3.4 動力結果分析

模態參數是結構物自身的固有特性，每一個結構都有其固有的模態參數，它是進行結構抗風、抵抗波浪沖擊動力特性分析的基礎[7-10]。貝雷梁拱架的組成構件多，自由度數多，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，結構前幾階頻率對結構動力響應的影響起決定作用，因此，本文采用子空間迭代法計算結構的自振頻率和相應的振型，并提取前5階頻率和相應振型進行結構的動力分析，得到的貝雷梁拱架自振頻率見表5。

表5 貝雷梁拱架動力分析結果

從表5可知：貝雷梁拱架支架的各階振動頻率較高，反映出結構整體剛度較大；貝雷梁支架各階頻率分布比較集中，反映出該結構動力特性的復雜性[16-20]。

綜上，貝雷梁拱架各桿件組合應力均小于相關施工規范規定的容許應力值；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定性要求。因此，凌云縣坡貼水庫大橋貝雷梁拱架的設計是合理、可行和可靠的，能夠滿足施工過程中對支架構件應力、變形和穩定性的要求。

4 局部結構驗算

4.1 銷軸抗剪強度驗算

4.1.1 貝雷銷軸

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

(1)容許抗彎能力計算。貝雷銷軸計算簡圖如圖4所示。

圖4 貝雷銷軸計算簡圖

4.1.2 拱腳銷軸(轉動工況)

拱腳銷軸采用40CrMnTi鋼，直徑D2=49.5 mm。由于結構受力為雙剪，最大剪力F1=120 kN，故拱腳銷軸(轉動工況)承受剪應力

故拱腳銷軸(轉動工況)的抗剪強度滿足規范要求。

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。由于結構受力為雙剪，最大剪力F2=169.7 kN，故拱腳銷軸(澆注工況)承受剪應力

故拱腳銷軸(澆注工況)的抗剪強度滿足規范要求。

4.2 拱腳耳板驗算

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

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度滿足規范要求。

(2)擠壓強度的驗算。鋼拱架拱腳耳板局部擠壓強度的計算采用最不利受力狀態，耳板受最大壓力F2=169.7 kN，則拱腳耳板承受擠壓應力

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度滿足規范要求。

4.3 預埋件耳板驗算

(1)剪切強度的驗算。預埋件耳板材料采用Q345鋼，板厚20 mm，其技術參數為[σw]=295 MPa，[τ1]=170 MPa，[σbs]=300 MPa，預埋件耳板最不利受力F2=169.7 kN，銷孔邊緣距節點板端部最近距離為50 mm(雙剪)，依此進行剪切強度的計算，則預埋件耳板承受剪應力

式中：A3為預埋件耳板受剪切力的面積。

τ4<[τ1]，故預埋件耳板的抗剪強度滿足規范要求。

(2)擠壓強度的計算。預埋件耳板局部擠壓強度的計算采用最不利受力狀態，耳板受最大壓力F2=169.7 kN，則預埋件耳板承受擠壓應力

式中：A4為預埋件耳板受擠壓力的面積。

σ2<[σbs]，故預埋件耳板的抗擠壓強度滿足規范要求。

5 結 語

為解決山區、庫區大跨徑拱橋施工支架難搭設的問題，本文介紹一種不受洪水與地形影響、穩定性好、縱向為拱形桁架、以貝雷梁拱架為支架的拱肋分段分環施工技術。采用有限元仿真技術和經典力學理論分析貝雷梁鋼拱架在施工過程各工況下的力學性能。結果表明，在拱肋澆筑的各個節段，貝雷梁拱架的應力、變形和穩定性均滿足相關施工規范要求。

貝雷梁拱架在大跨徑拱橋現澆施工方面有以下優點：施工進度快，質量好，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尤為適用；拱架縱向為拱形空間桁架體系，橫向用特制橫聯裝置連接，且下平面設置有連接系，整個結構連接牢固，整體性好，使用安全可靠；經濟效益顯著，用鋼量、用木量少，且可多次重復使用，材料周轉快；施工進度快，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。

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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

中國交建重點科技研發項目(2011-ZJKJ-24)

李 進(1983-)，男，陜西延安人，高級工程師，碩士，研究方向為大跨橋梁設計與施工技術。

[責任編輯:王玉玲]