三角拱座組合鋼拱架體系計算分析

劉家奎，羅 浩，杜 斌

(1. 貴州順康路橋咨詢有限公司，貴州 貴陽 550000；2.貴州大學土木工程學院，貴州 貴陽 550025)

三角拱座組合鋼拱架體系計算分析

劉家奎1，羅 浩1，杜 斌2

(1. 貴州順康路橋咨詢有限公司，貴州 貴陽 550000；2.貴州大學土木工程學院，貴州 貴陽 550025)

對山區(qū)一座采用三角拱座組合鋼拱架體系施工的拱橋，采用有限元計算軟件Midas進行分析，對其施工過程的應力、撓度及穩(wěn)定性做了模擬分析，根據計算結果提出了合理化建議，為大跨度拱橋施工方案設計及計算提供參考。

鋼拱架；三角拱座；計算分析

1 工程概況

馬嶺河特大橋主橋是一座凈跨為152 m的上承式鋼筋混凝土箱形截面拱橋。主拱圈為等高度懸鏈線拱，矢跨比為1/5，拱軸系數為1.872。

拱圈截面高度為3.2 m，單幅拱圈寬度為10.76 m，單箱五室截面。標準斷面頂、底板及腹板厚度均為30 cm，拱腳兩個橫隔板范圍內，頂、底板及中腹板的厚度由30 cm加厚到60 cm，邊腹板的厚度由30 cm加厚到45 cm。

拱圈混凝土采用拱架現澆方法施工。混凝土澆筑程序采用分層澆筑法，待上一層混凝土全部澆筑完畢并達到設計強度后再進行下一層混凝土的澆筑，混凝土共分四層澆筑。

拱圈采用“四環(huán)五段法”進行澆筑，各層混凝土的澆筑程序如表1所示。每一段的澆筑方向均為由低向高進行，每層混凝土分五段對稱澆筑。

該橋拱架設計較為特殊，橋跨中間采用跨度為120 m的鋼拱架+兩岸各16 m三角拱座搭模現澆形式，鋼拱架布置為8肋，總寬度11.30 m(拱箱寬度10.67 m)。

鋼拱架及三角拱座的尺寸，其中拱座斜撐鋼管混凝土結構，穩(wěn)定立柱(小立柱)為D630×12鋼管結構，拱座立柱(大立柱)及橫梁為C40鋼筋混凝土結構。

表1 拱圈各層混凝土分段長度/m

2 計算荷載及計算工況

2.1 計算荷載

(1) 鋼拱架結構自重，包括8組鋼管斜撐及連接系85 t，8組拱架及連接系393 t。

(2) 拱架上鋼管支架及模板重：225 t(在120 m拱架范圍內均布考慮)，折算均布荷載18.0 kN/m。

(3) 施工荷載：50 t(在120 m拱架范圍內均布考慮)，折算均布荷載4.0 kN/m。

(4) 四層混凝土在拱架范圍內的折算均布荷載為別為：94.5 kN/m，76 kN/m，76 kN/m。

2.2 計算工況

根據實際施工情況主要考慮以下7個工況。

工況1：拱架自重；

工況2：工況1+鋼管支架及模板重量+施工荷載；

工況3：工況2+拱圈底板混凝土重；

工況4：工況3+1.2 m高的拱圈腹板及橫隔板重；

工況5：工況4+1.2 m高的拱圈腹板及橫隔板重；

工況6：工況4+0.4 m剩余橫隔板及拱圈頂板和上馬蹄；

工況7：工況1(拱架自重)+模板及支架自重225 t+施工荷載50 t+1.2拱圈底板混凝土重(1.2×1219)=1 462 t。除拱架自重外的總試驗荷載為1 737 t，折算后拱架范圍的試驗荷載為139.0 kN/m。

3 計算模型考慮

3.1 計算假定及計算模型

拱架的整體受力計算按平面桿系結構進行。其中桁片之間的連接節(jié)點(下弦的銷接節(jié)點和上弦的球頭連接節(jié)點)按鉸接節(jié)點計算，桁片內節(jié)點按剛接節(jié)點計算。模板支架及拱圈各層荷載按照均布荷載模擬，一般上一環(huán)已澆筑成型的混凝土環(huán)可以承擔很大一部分新澆筑混凝土重量，其承載比例占混凝土拱圈總重量的48%左右。因此對第2～4層拱圈荷載進行依次折減。拱架上的各種荷載通過支架傳遞到拱架上弦節(jié)點上。半幅鋼拱架由8片拱架組成，本次計算選取一片拱架進行計算。

3.2 計算參數

拱架桁片鋼材為Q345，其材料容許應力采用200 MPa，鋼材彈性模量采用2×105MPa，鋼材的線膨脹系數采用1.2×10-5，拱圈混凝土容重：26 kN/m3，混凝土的線膨脹系數：1.0×10-5。

弦桿和交叉斜腹桿為受壓桿件，豎腹桿為受拉桿件。壓桿承載力為桿件的整體穩(wěn)定承載力控制，拉桿承載力為桿件的強度承載力控制。所有桿件的整體穩(wěn)定驗算均只驗算拱架平面內的穩(wěn)定，拱架平面外的穩(wěn)定通過桁片組內的橫向聯系(綴板或綴條)來保證。

4 計算結果

4.1 承載力計算

拱架各種桿件在各滿布荷載工況下的最大應力見表 2。由表中數據可以看出，拱架弦桿的最大應力發(fā)生在拱圈頂板混凝土澆筑完畢時，此時弦桿的最大應力為161 MPa<[σ]=200 MPa，滿足規(guī)范要求，并有較大的安全儲備。腹桿應力出現在第二層腹板澆筑完成后普通腹桿處最大應力為81 MPa<[σ]=200 MPa，遠小于規(guī)范規(guī)定的容許應力200 MPa。

表3為拱架在各主要受力工況下的計算撓度，從表中數據可以看出，拱架的剛度較大，全部施工完成后，拱架包括自身重量產生的拱頂最大撓度為94 mm僅為拱架跨度(L=120 m)的1/1 276。

表2 各控制工況拱架桿件的最大應力 /MPa

表3 拱架各階段的計算撓度 /mm

表4為6種滿布荷載作用工況下三角架計算應力，計算過程偏安全考慮未考慮斜撐鋼管中混凝土的協同作用。表4中立柱設計由混凝土拉應力控制，因此表4中僅列出混凝土立柱最大拉應力及鋼管絕對最大應力，拱腳斜撐鋼管的最大壓應力為80 MPa<[σ]=140 MPa，滿足規(guī)范要求。混凝土立柱最大拉應力為2.1 MPa，已接近混凝土抗拉強度標準值，建議混凝土立柱加強普通鋼筋配置。

表4 各控制工況三角拱座最大/最小應力 /MPa

本拱架的承載力滿足規(guī)范要求，并有一定的安全儲備，為后續(xù)承擔施工過程中的不均勻荷載留下足夠的安全儲備。實際施工中只需處理好拱架構造、斜撐鋼管與桁架、立柱、平聯等的連接構造，確保連接節(jié)點的局部承載力滿足受力要求即可。

4.2 穩(wěn)定性計算

分別對工況1～工況3進行穩(wěn)定性計算分析，得到表 5所列的穩(wěn)定安全系數。

表5 各工況穩(wěn)定系數

底板澆筑完畢時，拱架整體穩(wěn)定系數為6.44，滿足拱橋穩(wěn)定安全系數要求大于4～5的規(guī)范要求。各工況失穩(wěn)模態(tài)均為拱架平面外失穩(wěn)，建議在拱架上下游設置橫向纜風索，確保拱架不產生橫向偏位。

5 結 論

(1)在現有鋼拱架跨度不滿足施工要求時，可在拱架兩端對稱設置三角拱座以對現有拱架進行充分利用。

(2)采用四環(huán)五段澆筑法，合理控制分段澆筑高度及長度能保證鋼拱架應力在設計允許值范圍，并有較大的安全儲備。

(3)三角拱座斜撐受壓應力較大，采用鋼管混凝土結構較為合理，大立柱受拉應力較大，施工時應采用高標號混凝土及加強普通鋼筋配置。

(4)拱架上下游應設置橫向纜風索，確保拱架不發(fā)生面外失穩(wěn)。

[1] 顧安邦，向中富．橋梁工程[M]．2版．北京：人民交通出版社．2011．

[2] 彭文平．拱架懸拼技術與混凝土拱肋早期裂縫研究[D]．長沙：長沙理工大學，2010．

U442

B

1008-3383(2017)10-0095-02

2017-06-07

劉家奎(1987-)，男，工程師，研究方向：橋梁施工與工程智能控制。