夾巖水利樞紐工程西溪河管橋鋼拱架穩定性分析

夏云東

摘要：以夾巖水利樞紐工程西溪河管橋為例，設計并實施了鋼拱架預壓方案，通過全過程跟蹤監測預壓階段的拱架變形和應力變化情況，并與仿真模擬計算成果進行對比，全面分析了鋼拱架的穩定性。針對預壓出現的橫向偏位問題，提出了科學合理的工程處理措施，確保了在主拱圈第一環混凝土澆筑期間，鋼拱架軸線偏位始終處于規范限值內，為后續施工安全奠定了良好基礎。分析成果可為類似工程提供參考。

關鍵詞：管橋;鋼拱架;施工監控;穩定性分析;西溪河管橋;夾巖水利樞紐工程;貴州省

中圖法分類號：U448.22文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.09.024

Abstract： Taking Xixi River pipeline bridge， a part of the Jiayan Hydro Complex Project， as example， we put forward and implemented a preloading scheme for steel arch frame， monitored the arch deformation and stress variations in the preloading stage， compared the monitored results with the simulation results， and thoroughly analyzed the stability of the steel arch frame. In view of large lateral deviation during preloading， scientific and reliable engineering measures were proposed and adopted， and the axis deviation of the steel arch was ensured always within the specified limits during the concrete placement for the first ring of the main arch. The analyses laid foundation for the subsequent construction， and the results can provide reference for other similar projects.

Key words： pipeline bridge; steel arch frame; construction monitoring; stability analysis; Xixi River pipeline bridge; Jiayan Hydro-complex Project; Guizhou Province

1 研究背景

鋼筋混凝土拱橋因其跨越能力大、結構性能優越且外形優美，特別適應于西南地區在需要跨越地勢陡峭的峽谷、河流上修建。我國橋梁施工控制技術研究起步較晚，但發展迅速。鄭樂琴[1]以貴州甘河溝大橋為例，研究了拱架現澆混凝土拱橋施工控制重難點，提出以“線形控制為主，應力控制為輔”的控制策略，并初步確定了分環分段位置。彭畢輝[2]分析了幾種常見拱圈與拱架類型的主要特點以及工程適用條件，并研究了施工監控的布置方式以及后續數據處理分析的方法。謝彬[3]設計了某大橋鋼桁拱架預壓試驗，提出了合理的預壓方案，并對拱架預壓進行全過程模擬。蔣田勇等 [4]以桂陽縣龍江渡大橋為工程背景，設計了鋼拱支架水箱預壓試驗方案，提出了合理的預壓加載和卸載方式，并對其強度、剛度以及穩定性進行了計算和分析，最終根據預壓成果確定了鋼拱架的預拱度，對拱肋底部標高控制具有一定指導意義。沈陽[5]、李展明[6]根據水箱預壓試驗監控成果，驗證了鋼拱架的結構性能，確保了后續施工安全。

目前拱架法施工技術較為成熟，但由于溝谷地帶施工環境復雜，拱架法施工程序多且施工控制難度大，因此在鋼拱架的吊裝、鋼拱架預壓、主拱圈分環分段澆筑和鋼拱架落架施工等關鍵節段，有效開展施工監控工作必不可少，是確保大跨度管橋施工安全并順利合龍及建成后正常運營的關鍵。

2 工程概況

2.1 工程簡介

西溪倒虹管為夾巖工程的一部分，其中西溪河管橋跨越西溪河“U”形峽谷，河谷寬約85 m，深102 m，兩岸為陡壁，上部為緩坡平臺及斜坡，巖層傾角平緩，邊坡整體穩定。

西溪河管橋主拱為懸鏈線無鉸拱，凈跨108 m，矢高21.6 m，拱軸系數1.832，西溪河管橋總體布置見圖1。拱圈采用C50鋼筋混凝土箱形拱，單箱雙室結構，寬6.0 m，高2.2 m，拱箱頂底板厚30 cm，邊腹板、中腹板厚30 cm，橫隔板厚25 cm。主拱采用貝雷拱架現澆，拱架采用321型貝雷片拼裝而成，為調節拱圈標高及脫架方便，拱圈上設置帶頂托鋼管支架，主拱圈C50混凝土主要工程量為694 m3。

根據驗算結果，將西溪管橋主拱圈分為5個節段進行澆筑，長度分別為19.5，27，26，27 m和19.5 m。主拱圈底板混凝土澆筑順序為：同步澆筑進、出口拱腳A1和A2段19.5 m和拱頂B段26 m底板混凝土，同步澆筑進、出口岸C1和C2段27 m底板混凝土。主拱圈分段情況詳見圖2。

2.2 鋼拱架預壓方案

2.2.1 預壓荷載確定

根據拱圈混凝土澆筑施工方案，拱圈混凝土分3環澆筑：第1環澆筑底板混凝土及1/5腹板混凝土，第2環澆筑剩余腹板和橫隔板混凝土，第3環澆筑頂板混凝土。第1環拱圈混凝土澆筑強度達到90%以上，再澆筑第2環拱圈混凝土;第2環拱圈混凝土澆筑強度達到80%以上，再澆筑第3環拱圈混凝土。澆筑第2環拱圈混凝土濕重由拱圈底板混凝土和鋼拱架共同承擔，經計算分析拱架的變形與應力，確定鋼拱架預壓加載最大重量以澆筑第1環拱圈混凝土重量的1.2倍來控制。

根據拱圈混凝土配比，拱圈混凝土容重取23.8 kN/m3，第1層拱圈底板混凝土重量為763 t;拱圈鋼筋總重量為180 t，澆筑第一層拱圈混凝土時考慮底板、腹板及部分橫隔板鋼筋合計重量為90 t;整個拱圈外側鋼模板設計荷載重40 t;因貝雷拱架預壓搭設鋼管腳手架平臺所使用的鋼管、方木及模板荷載小于澆筑第1層拱圈混凝土時所使用的鋼管、方木及模板的數量，所以貝雷拱架預壓時在搭設鋼管腳手架平臺水箱內施加的荷載總重為893 t。

2.2.2 水箱布置及分級荷載確定

水箱在貝雷拱架上平鋪布置，共分為26個水箱，其中進、出口對稱第1（拱腳）～6 號水箱長度為2.745 m，第7～12號水箱（拱腰）長度為3.660 m， 13號（拱頂）水箱長度為2.745 m，水箱高度均為1.83 m。水箱實際裝水寬度為5.6 m，按照拱圈底板荷載分布（其中模板施工荷載均勻分攤）計算得出各個水箱的裝水高度。按照底板混凝土的澆筑順序，先將混凝土澆筑過程中的分段澆筑區域與水箱相對應，詳見表1和圖3。

根據分段澆筑區域與水箱對應表的統計，按照混凝土澆筑順序，預壓加載和卸載均按分級原則進行，其中加載分70%，100%，120%共3級進行，卸載按50%，0% 兩級進行。

2.3 監測布置

為監測拱架應力和變形情況，防止拱架結構在施工過程中出現局部變形或應力過大，對結構穩定不利，導致安全問題，根據仿真計算成果，有針對性地在拱腳、L/8、L/4、3L/8、拱頂等控制截面以及經過結構計算最不利受力截面處附近的陰陽接頭處布置固定棱鏡觀測點，并在斷面的上、下弦桿布設應變計，橫橋向按左、中、右進行布設，并盡可能對稱布置，以便對其進行比較分析。監測布置情況見圖4。

3 預壓成果分析

西溪河拱架預壓試驗實測鋼拱架控制截面應力與計算應力對比見表2。根據表2可知：鋼拱架預壓試驗過程中，實測桿件應力與計算值較接近，應力值在規范的容許范圍內且殘余應力較小，表明鋼拱架結構強度滿足設計要求。

鋼拱架預壓試驗實測撓度變形與計算變形對比見圖5。根據圖5可知：鋼拱架預壓試驗過程中，實測鋼拱架撓度（彈性）變形與計算變形的量值和分布情況基本一致，主要呈對稱狀態，拱頂最大彈性變形為39.3 mm，表明鋼拱架縱向剛度滿足設計要求。

鋼拱架預壓試驗實測橫橋向軸線偏位分布見圖6。根據圖6可知：預壓試驗過程中拱架橫橋向（平面上）整體呈“S”形扭曲，扭曲區域主要分布在2～4號拱架節段范圍內，且拱架軸線最大偏位達54.4 mm，超出規范限值。卸載后，進口岸存在13 mm、出口岸存在34.8 mm未恢復的軸線偏位。軸線偏位過大且預壓過程中持續增長，表明鋼拱架存在橫向剛度偏弱，橫向穩定性系數較小的不足。

4 處理措施及效果

4.1 處理措施

鋼拱架預壓試驗過程中，預壓至120%試驗荷載時，監測數據反映鋼拱架橫橋向軸線偏位超規范限值較多。鑒于拱架試驗存在的拱架橫向較弱，橫向穩定性系數較小等問題，對拱架預壓過程中存在的問題采取如下處理措施。

（1）卸載后，重點檢查第2，3，4組拱架是否存在桿件及螺栓無法恢復的塑性變形，應及時對其進行更換或局部加強，并調整拱軸線至設計位置。

（2）對鋼拱架第2，3，4組拱架橫向結構進行加強，可采用通長槽鋼加強貝雷間的橫向聯系及每組拱架底面鋪設剪刀撐，以增強拱架整體橫向剛度及橫向穩定性。

（3）按圖紙設計要求、拱橋施工規范及施工通常做法進行設置風纜，重點對鋼拱架第2，3，4組拱架設置風纜。風纜設置應纜風索應對稱布置，且上下游纜風索的長度相差不宜過大;纜風索與鋼拱架軸線夾角宜大于45°，與底面平面夾角宜為30°。

（4）受本橋場地條件所限，完全按規范設置風纜較為困難。鑒于橋體自身橫向穩定較小，在澆筑階段拱架穩定系數缺乏足夠儲備，因此若不設置風纜，可利用鋼扣塔掛扣索，并施加一定的張拉力。

4.2 處理后效果

2020年6月17日，對西溪河管橋主拱圈第一環混凝土澆筑全過程進行跟蹤監測，合龍24 h后的主要成果如下。

（1）實測鋼拱架最大應力為76.05 MPa，在規范容許范圍內，鋼拱架結構強度滿足設計要求。

（2）實測鋼拱架最大撓度為 -9.7 mm（下撓），發生于3L/4部位。實測鋼拱架存在-5.3～0.8 mm橫橋向偏位，鋼拱架線形處于規范范圍內。

（3）實測鋼扣塔最大水平位移為10.7 mm，往河心偏移。橫橋向最大偏位為0.5 mm，處于合理范圍內。

綜合監測數據表明：合龍24 h后，鋼拱架結構受力正常、軸線偏位及豎向撓度均在規范要求范圍內，拱架結構安全，第一層主拱圈澆筑工作順利完成。同時鋼拱架軸線偏位始終未超1cm，較預壓階段產生的超規范偏位情況有明顯改善，表明預壓后所采取的工程處理措施有效得當。

5 結 語

預壓試驗可模擬主拱實際澆筑工況，是對鋼拱架整體穩定性的一次有效檢驗，可有效消除鋼拱架的非彈性變形，使所有連接桿件緊密連接，為后續預拱度的設置提供科學依據。同時，對于寬跨比較小的拱架，橫向穩定性是其較薄弱的環節，預壓加載過程中的軸線偏位是監控重點，正確有效設置纜風索可提高其整體穩定性，并為實際施工提供一定的應急保障。若受施工場地條件所限導致風纜設置較為困難時，可利用現有設施布置扣索并施加一定的張拉力，可有效保證澆筑過程中拱架整體結構安全。

參考文獻：

[1] 鄭樂琴. ?箱形拱圈鋼拱架施工控制研究與受力分析[D]. 西安：長安大學，2016.

[2] 彭畢輝. ?拱架現澆混凝土拱橋施工控制研究[D]. 長沙：長沙理工大學，2016.

[3] 謝彬. 某大橋鋼桁拱架預壓試驗分析[J]. 青海交通科技，2018（4）：67-70.

[4] 蔣田勇，羅舟滔，江名峰. 鋼拱架水箱預壓試驗及預拱度設置[J]. 公路，2015，60（4）：113-118.

[5] 沈陽. 淺析桑壩大橋主拱圈懸拼鋼拱架水箱預壓[J]. 黑龍江交通科技，2014，37（4）：70-71.

[6] 李展明. 現澆拱橋鋼桁拱架受力分析與施工[J]. 山東交通科技，2012（3）：36-38.

（編輯：李曉濛）