混凝土拱橋懸臂澆筑施工力學(xué)性能研究

周 倩，周水興，李曉慶，馮雨實

(1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶400074； 2. 重慶能源職業(yè)學(xué)院 土木工程系，重慶 402260)

0 引 言

鋼筋混凝土拱橋采用懸臂澆筑法[1]施工，結(jié)構(gòu)整體性和經(jīng)濟性較好，適用于陡峭峽谷、湍急河流地帶，在我國西部地區(qū)，山地多、地形險峻，拱橋具有較大的競爭力。然而，拱橋懸臂澆筑施工技術(shù)在我國起步較晚，且由于施工周期長、施工質(zhì)量難以控制及受力復(fù)雜等原因，在已建拱橋中使用不多，設(shè)計施工研究開展較少，開展懸臂澆筑混凝土拱肋施工力學(xué)性能研究對受地形地貌，交通條件等因素限制而不宜采用懸臂拼裝、支架現(xiàn)澆法施工的拱橋的成功修建意義較大。

國內(nèi)采用懸臂澆筑法已建成西攀高速公路白沙溝1#橋[2]、攀枝花新密地大橋、四川鱤魚大橋、貴州木蓬特大橋和貴州馬蹄河大橋等5座，貴州、重慶在建混凝土拱橋各兩座，最大跨度已達240 m。在白沙溝1#橋的設(shè)計施工中，開展了懸臂澆筑側(cè)桁縱移掛籃開發(fā)應(yīng)用[3]、雙重調(diào)索低應(yīng)力夾片錨固系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用[4]、新型巖孔錨錠的開發(fā)和懸臂澆筑施工控制技術(shù)[5]，以及合理拱軸線[6]、拱上立柱、橋面板構(gòu)造、橫隔板布置及優(yōu)化等研究[7]。

采用掛籃懸臂澆筑混凝土拱圈，隨著后續(xù)節(jié)段的澆筑，已澆節(jié)段會出現(xiàn)較大的上下交替變形，且拱圈澆筑到1/4拱跨后，扣塔水平位移較大、斜拉索伸長，已澆節(jié)段局部位置出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，特別是澆筑工況，現(xiàn)澆梁段和掛籃自重全由已澆拱圈承擔(dān)，按照扣索一次張拉法優(yōu)化的索力進行張拉，很難將拱肋施工期間的內(nèi)力控制在允許范圍內(nèi)。為保障結(jié)構(gòu)施工階段的安全性能，筆者以某大跨懸澆混凝土拱橋為工程實例，建立ANSYS空間分析模型，計算在不同施工方案下拱圈截面內(nèi)力及變形，并對結(jié)果展開分析，研究懸澆混凝土拱橋施工內(nèi)力及變形控制的有效辦法，對此類拱橋的施工具有一定的參考意義。

1 工程概況

該等截面懸鏈線拱橋橋面寬21.5 m，高2.8 m。設(shè)計行車速度80 km/h，主孔凈跨165 m，凈矢高30 m，拱軸系數(shù)為1.988，主拱圈采用單箱雙室截面，全橋分12段施工，拱腳段采用鋼管支架現(xiàn)澆法施工，其余節(jié)段采用掛籃懸臂澆筑施工。該橋全長364.6 m，大橋總體布置如圖1。

圖1 大橋總體布置(單位：cm)Fig. 1 Elevation of Bridge

2 懸臂澆筑施工分析

2.1 計算方法

筆者采用零階優(yōu)化方法進行扣索力計算，以全橋松索成拱線形與一次性成橋線形差最小為目標(biāo)，施工階段索塔水平位移和拱腳拉應(yīng)力為狀態(tài)變量。狀態(tài)變量的約束條件如下：

(1)

式中：i為施工階段；UXi為第i階段索塔頂水平位移；Si為第i階段拱腳拉應(yīng)力。

使用ANSYS自帶的APDL語言，開發(fā)了一套專門用于懸臂澆筑鋼筋混凝土拱橋施工分析的程序。有限元模型中，拱圈、交界墩、扣塔等混凝土材料采用Beam44梁單元模擬，允許拉應(yīng)力值為1.83 MPa。扣錨索采用Link10單元模擬，并通過剛性梁單元與拱肋連接。參考規(guī)范給定材料彈性模量，根據(jù)有限元模型自重與實際結(jié)構(gòu)重量差修正材料容重。全橋施工仿真分析有限元模型見圖2。

圖2 木蓬特大橋有限元模型Fig. 2 Finite element model of Mupeng bridge

2.2 節(jié)段長度對施工內(nèi)力及變形影響分析

節(jié)段長度[8]大小決定了現(xiàn)澆混凝土工況的荷載大小，筆者分別計算在5、6、7、8 m的澆筑長度方案下施工階段拱圈截面的內(nèi)力及變形。筆者需建立4個不同的模型，為減少工作量，假定全橋為等截面拱圈，掛藍用集中力模擬。故筆者計算結(jié)果與后續(xù)實橋模型計算結(jié)果在數(shù)值上無可比性。不同澆筑長度拱圈施工內(nèi)力及變形分析結(jié)果見圖3～圖5。分析圖3和圖4可知：澆筑長度由8 m減小到5 m，最大施工拉應(yīng)力由3.86 MPa減小到3.27 MPa，減小15.28%；最大施工上撓值由3.87 cm減小到2.81 cm。即使以每段5 m進行澆筑，拱圈施工階段的拉應(yīng)力依然無法滿足規(guī)范要求。圖5為拱圈扣點位置變形變化值，由圖5可以看出，澆筑長度越大，施工過程中拱圈變形變化越劇烈，對延長結(jié)構(gòu)使用壽命不利。

圖3 各工況已澆拱圈最大拉應(yīng)力Fig. 3 Maximum tensile stress of each construction stage

圖4 各工況已澆拱圈最大撓度Fig. 4 Maximum deformation of each construction stage

圖5 拱圈扣點位置變形變化值Fig. 5 Vertical deformation change of points

綜上所述，懸臂澆筑鋼筋混凝土拱橋，單純減小節(jié)段長度并不能有效控制施工內(nèi)力，但可一定程度上改善拱圈施工變形。

提取最大拉應(yīng)力的發(fā)生位置，篇幅所限，筆者只給出澆筑長度為7 m時的結(jié)果(以拱腳為坐標(biāo)原點)，見表1。由表1可見，澆筑拱腳和拱頂位置時，最大拉應(yīng)力多發(fā)生于拱腳位置，但澆筑中間節(jié)段時，最大拉應(yīng)力通常位于現(xiàn)澆段前0.4～0.6倍水平位置，施工中應(yīng)加強對此類截面的監(jiān)測。

表1 施工階段最大拉應(yīng)力位置Table 1 Locations of maximum tensile stress for concrete casting construction conditions

2.3 掛藍構(gòu)造對施工內(nèi)力及變形影響分析

目前用于橋梁施工中的掛籃按構(gòu)造形式主要分為前支點和后支點兩種，筆者針對此兩種掛籃對懸臂澆筑施工內(nèi)力及變形控制效果進行分析，計算結(jié)果見圖6～圖8。由圖6～圖8可見，采用后支點掛籃，施工階段最大上撓為6.54 cm，最大下?lián)蠟?.7 cm，最大施工拉應(yīng)力為4.36 MPa；采用前支點掛籃，拱圈施工階段內(nèi)力及變形均得到較大改善，最大上撓減小到1.06 cm，最大下?lián)蠝p小到4.43 cm，最大拉應(yīng)力減小到1.18 MPa，小于材料允許拉應(yīng)力值。

圖6 最大拉應(yīng)力值對比Fig. 6 Comparison of maximum stress

圖7 最大向上變形值對比Fig. 7 Comparison of maximum upwarping

圖8 最大向下變形值對比Fig. 8 Comparison of maximum downwarping

2.4 設(shè)置預(yù)應(yīng)力對施工內(nèi)力及變形影響分析

梁橋中往往通過設(shè)置預(yù)應(yīng)力束來減小混凝土所受的拉應(yīng)力，受此啟發(fā)，筆者研究拱圈內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力對截面施工內(nèi)力及變形的影響。預(yù)應(yīng)力鋼束用Link10單元模擬，通過剛臂單元同拱圈連接，預(yù)應(yīng)力荷載轉(zhuǎn)化為溫度荷載形式施加。計算結(jié)果見圖9～圖11。由圖9～圖11可見，張拉預(yù)應(yīng)力對拱圈施工變形影響較小，但對施工內(nèi)力改善效果較好。張拉預(yù)應(yīng)力后，最大施工應(yīng)力由4.36 MPa減小到1.83 MPa，減小幅度達到78.17%。

圖9 最大拉應(yīng)力對比Fig. 9 Comparison of maximum stress

圖10 最大向上變形對比Fig. 10 Comparison of maximum upwarping

圖11 最大向下變形對比Fig. 11 Comparison of maximum downwarping

2.5 扣索錨固位置對施工內(nèi)力及變形影響分析

筆者分別計算扣索錨于頂板和錨于底板兩種工況下拱圈施工內(nèi)力和變形，結(jié)果見圖12～圖14。

圖12 最大拉應(yīng)力對比Fig. 12 Comparison of maximum stress

圖13 最大向上變形Fig. 13 Comparison of maximum upwarping

圖14 最大向下變形Fig. 14 Comparison of maximum downwarping

由圖12～圖14可見，改變扣索錨固位置雖能一定程度上改善拱圈施工變形，但對施工內(nèi)力影響不大。

2.6 懸臂澆筑鋼筋混凝土拱圈施工控制辦法對比

單純減小節(jié)段長度并不能改善施工受力，不建議單獨采用。施加預(yù)應(yīng)力、掛籃構(gòu)造形式、扣索錨固位置對拱圈懸澆施工內(nèi)力及變形影響對比見圖15和圖16。

圖15 最大施工拉應(yīng)力對比Fig. 15 Comparison of maximum stress

圖16 最大上撓、下?lián)现祵Ρ菷ig. 16 Comparison of maximum upwarping and downwarping

由圖15和圖16可知，改變扣索錨固位置雖能一定程度上控制拱圈施工變形，但對懸澆施工內(nèi)力影響不大。采用前支點掛籃和施加預(yù)應(yīng)力能有效減小最大施工拉應(yīng)力，但施加預(yù)應(yīng)力對施工變形改善效果較小，改變掛籃構(gòu)造形式是控制拱圈懸澆施工內(nèi)力及變形的最有效辦法。

3 結(jié) 論

筆者通過對某鋼筋混凝土拱圈懸臂澆筑施工內(nèi)力及變形分析研究，得到以下結(jié)論：

1)單純改變節(jié)段長度和扣索錨固位置方案雖能一定程度改善拱圈施工變形，但并未將主拱施工內(nèi)力控制到允許范圍，澆筑長度越大，拱圈施工變形突變越劇烈。

2)對懸臂澆筑鋼筋混凝土拱圈，在拱圈頂板設(shè)置預(yù)應(yīng)力可減小主拱施工內(nèi)力，采用前支點掛籃，能同時有效控制施工階段主拱內(nèi)力及變形，且效果最明顯。

3)澆筑拱腳和拱頂位置時，最大施工拉應(yīng)力往往發(fā)生在拱腳位置，澆筑中間節(jié)段時，最大施工拉應(yīng)力發(fā)生在現(xiàn)澆段前0.4～0.6倍水平位置，施工中應(yīng)加強對這些截面的監(jiān)測。

4)由于篇幅所限，筆者僅分析了節(jié)段長度、掛藍構(gòu)造形式、預(yù)應(yīng)力、扣索錨固位置等控制方案，還可以針對不斷調(diào)索、改變扣索力等辦法展開進一步研究。

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