大跨度轉體施工工藝拱橋施工階段穩定性問題研究

郝 景 宏

(恩施州交通規劃設計有限公司，湖北 恩施 445000)

山區溝谷常具有典型的“V”字型地貌，材料運輸、大型設備進場等問題通常成為橋梁設計的制約因素，同時，人工和材料耗費、施工安裝和臨時工程等費用通常較高。為此，國內一些知名橋梁專家，在此特殊地形地貌施工條件下采用轉體施工工藝作出了一些較有成績的研究[1,2]。橋梁轉體施工是指將橋梁結構在非設計軸線位置制作成型，通過下盤球鉸轉體就位的一種施工工藝。根據轉動方向，可分為水平轉體施工法、豎向轉體施工法以及平豎相結合施工法。根據是否采用平衡重配重，可分為有平衡重轉體施工法和無平衡重轉體施工法[3,4]。目前，采用最多的是有平衡重水平轉體施工法。采用有平衡重水平轉體施工工藝時，亟需解決的兩個重要問題，其一是設計和施工階段偏心距的控制與糾偏[5]；其二是轉體階段的應力計算和穩定性分析。本文研究探討了三種不同跨徑上承式鋼筋混凝土箱型拱橋轉體階段的穩定性問題，建立了相應的有限元模型并進行對比分析，討論了寬跨比、截面高度等參數對穩定安全系數的影響。

1 計算模型

分別建立了70 m,96 m和125 m三種跨徑組合有限元計算模型。表1給出了轉體階段拱圈的矢高、寬跨比、主拱圈截面高度等設計參數。

主要計算參數為：混凝土：重力密度γ=26.0 kN/m3，彈性模量Ec=3.45×104MPa。鋼絞線：彈性模量Ep=1.95×105MPa，松弛率ρ=0.035，松弛系數ζ=0.3。

表1 不同跨徑下的開口箱轉體階段設計參數

2 計算結果與分析

2.1 失穩模態結果及分析

表2給出了不同跨徑下開口箱轉體階段穩定性分析計算結果，圖1～圖6給出了不同跨徑下開口箱轉體階段失穩模態。

表2 開口箱轉體階段穩定性分析計算結果

由70 m和96 m跨度橋梁轉體階段穩定性計算結果對比分析，可以看出：前者寬跨比約為后者的1.6倍，前者的轉體穩定安全系數大于后者；70 m跨橋梁采用的截面高度為1.4 m，96 m跨橋梁開口箱截面采用的截面高度為1.8 m，相應的一階失穩安全系數分別為27.0和24.7，說明在轉體階段兩者的截面剛度相差不大，拱圈高度在轉體階段剛度發揮了較大的影響效應；設計時70 m跨橋梁拱圈采用1.4 m截面高度和96 m跨橋梁拱圈采用1.8 m截面高度較為適當。

由96 m和125 m跨度橋梁轉體階段穩定性計算結果對比分析，可以看出：兩者寬跨比相同，均為1/20，兩者拱圈高度相同，均為1.8 m，兩者的轉體穩定安全系數均滿足規范要求；前者的轉體穩定安全系數大于后者，約為后者的3倍，說明在轉體階段兩者的縱、橫向截面剛度均相差較大；125 m跨拱圈采用1.8 m高度較為經濟，但轉體施工階段拱圈截面設計時，安全儲備較小，跨度較大時，設計時應增加截面高度以獲得較大的截面剛度。

綜上所述，橋梁轉體施工階段，寬跨比、拱圈高度等因素對截面剛度影響較大，從而對轉體施工階段橋梁穩定性計算產生影響。選擇合理的寬跨比、拱圈截面高度，對大跨度轉體施工橋梁設計有著重要的指導意義。

2.2 拱圈應力結果及分析

研究提取了不同跨徑下開口箱轉體階段主拱圈應力計算結果，如圖7～圖9給出了不同跨徑下開口箱轉體階段主拱圈上緣組合應力。結果表明，在L/4處70 m跨開口箱上緣沒有出現拉應力，但96 m和125 m跨開口箱上緣拱圈均出現拉應力。拉應力數值較小，設計時可通過配置普通鋼筋，將混凝土裂縫寬度控制在規范允許范圍。

3 工程案例

恩施市洋傘壩大橋，位于鄂西南褶皺山地，地貌類型屬溶蝕低山河谷地貌，微地貌為河谷、階地，地面標高在470 m～580 m之間，相對高差約100 m。大橋斜跨一條近南北向的清江二級支流，兩橋臺岸坡較陡，兩側坡角最大達70°。

橋型方案：上構為主跨L0=70 m，矢跨比f0/L0=1/6的懸鏈線鋼筋混凝土箱型拱，拱軸系數為1.347，單箱三室，拱圈厚度為1.4 m，拱圈寬為5.6 m，橋梁全長為86.3 m，橋型方案布置如圖10所示。轉體階段拱圈構造和現場照片如圖11，圖12所示。

在實際轉體施工時，本項目截面縱橫向剛度均較大，轉體過程比較平穩，與理論計算相差不大。實例說明，寬跨比較大，截面高度合理時，拱片脫架后，主拱圈一般都處于全斷面受壓，僅L/4處可能會有較小的拉應力，應通過配筋加以控制裂縫。

4 結語

本文對三種大跨度轉體施工工藝拱橋進行數值模擬，研究了三者轉體工況下的穩定性，得出如下結論：

1)利用有限元程序建立三維模型來模擬開口箱轉體施工工況是合理可行的，表明本文選用的材料模型和數值模擬方法能較準確地計算轉體穩定階段開口箱的穩定安全系數，對轉體施工工藝橋梁設計有一定指導意義。

2)寬跨比在1/20以內的開口箱，在轉體施工階段，安全系數基本能滿足要求；寬跨比、截面高度對開口箱截面剛度影響較大，寬跨比較大，開口箱高度相對較高時，穩定安全系數較高。

3)在轉體施工階段，開口箱拱圈上緣L/4處可能會出現拉應力，施工時應加強配筋設計，將裂縫控制在規范允許值內。