常備式鋼拱架施工設(shè)計(jì)與受力分析

唐穎賢

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西　南寧　530011)

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常備式鋼拱架施工設(shè)計(jì)與受力分析

唐穎賢

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西南寧530011)

相對(duì)于梁柱式鋼管貝雷片落地支架安裝，鋼拱架具有構(gòu)件簡(jiǎn)單、單片重量較輕、運(yùn)輸拆裝方便、標(biāo)準(zhǔn)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，在跨度50～140m的鋼筋混凝土拱橋施工得到廣泛使用。文章結(jié)合鋼筋混凝土主拱圈現(xiàn)澆拱架施工工程實(shí)例，介紹了常備式鋼拱架施工設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件Midas對(duì)支架系統(tǒng)、鋼筋混凝土主拱箱梁截面進(jìn)行受力分析，使構(gòu)件各項(xiàng)驗(yàn)算指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，為類(lèi)似拱橋的建造提供參考。

主拱圈；鋼拱架；施工設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件；Midas軟件；受力分析

0　引言

拱橋由于跨越能力大、受力清晰、結(jié)構(gòu)美觀及泄洪能力強(qiáng)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于山區(qū)。鋼筋混凝土拱圈施工一般為預(yù)制安裝及支架現(xiàn)澆兩種。當(dāng)鋼筋混凝土拱圈采用現(xiàn)澆施工時(shí)，通常采用搭設(shè)滿(mǎn)堂支架、少鋼管支架、鋼拱架等方案，根據(jù)不同地形環(huán)境選用不同方案。

1　工程概況

三家寨大橋是貴州畢(節(jié))至都(格)高速公路上的一座鋼筋混凝土箱型拱橋，橋址區(qū)屬于峰叢山地的峽谷地貌區(qū)，峽谷兩岸巖壁陡峭，路線走向基本與峽谷走向正交，橋面距谷底高100多米，主橋右幅跨徑1～70 m，左幅跨徑1～78 m。由于該橋跨越深山峽谷，受地形限制無(wú)法搭設(shè)滿(mǎn)堂支架進(jìn)行拱圈混凝土現(xiàn)澆施工，而是采用無(wú)支墩六四式軍用梁拼裝式拱架、砂筒卸載落架等施工技術(shù)。

圖1　三家寨大橋橋型布置圖

2　常備式鋼拱架施工設(shè)計(jì)

2.1鋼拱架總體布置

根據(jù)三家寨大橋拱軸線參數(shù)，設(shè)定拱架拱軸線為懸鏈線。拱架基本結(jié)構(gòu)為六四式軍用梁，下弦桿和標(biāo)準(zhǔn)三角拼裝的桁式雙鉸系桿拱。大橋施工拱架主要由拱架、臨時(shí)支座砂筒、纜風(fēng)繩組成，以及拼裝拱架輔助支撐架等。

其中拱架由六四式軍用梁的標(biāo)準(zhǔn)三角、加強(qiáng)三角、下弦桿、鋼銷(xiāo)鋼枕、橫向聯(lián)系支撐架、橫向連接槽鋼等組拼而成。三家寨大橋右幅拱架縱向18片標(biāo)準(zhǔn)三角、2片加強(qiáng)三角拱，橫向布置9榀拱架，左幅拱架縱向20片標(biāo)準(zhǔn)三角、2片加強(qiáng)三角拱，橫向布置11榀拱架，并用聯(lián)系支撐架以及連接槽鋼連成整體，拱架總體布置如圖2所示。

圖2　拱架總體布置圖

2.2鋼拱架搭設(shè)

在每組鋼拱架拱腰接頭位置采用φ48鋼管搭設(shè)兩個(gè)2m×12m的臨時(shí)支架作為接頭處臨時(shí)支撐以及操作平臺(tái)，拱架合攏位置搭設(shè)一個(gè)4.8m×12m的臨時(shí)支架作為拱架合攏位置的支點(diǎn)及操作平臺(tái)。鋼拱架縱向每環(huán)按節(jié)段進(jìn)行拼裝，從拱腳至拱頂對(duì)稱(chēng)進(jìn)行，橫橋向按每環(huán)從外到里進(jìn)行拼裝，完成一環(huán)鋼拱架合攏后，方進(jìn)行下一環(huán)鋼拱架拼裝。構(gòu)件吊裝采用兩臺(tái)25t吊車(chē)進(jìn)行，如圖3所示。

圖3　鋼拱架吊裝示意圖

3　鋼拱架體系受力檢算

3.1施工工況

鋼拱架體系受力檢算，需充分考慮施工過(guò)程，拱圈混凝土施工過(guò)程是一個(gè)對(duì)支架不斷加載的過(guò)程。考慮拱圈澆筑與支架變形之間的相互影響，為防止支架異常變形，破壞主拱軸線，甚至產(chǎn)生混凝土裂縫，同時(shí)遵循“分環(huán)分段對(duì)稱(chēng)澆筑，使支架在混凝土澆筑過(guò)程中發(fā)生的變形均勻?qū)ΨQ(chēng)”的施工原則，確定該橋主拱圈澆筑順序如圖4所示。

圖4　主拱圈澆筑順序圖

主拱圈施工采用對(duì)稱(chēng)分環(huán)分段澆筑，整個(gè)拱圈根據(jù)支架的結(jié)構(gòu)體系分為2個(gè)澆筑環(huán)；即第一環(huán)為底板、腹板(高85cm)，第二環(huán)為腹板(高75cm)、頂板。第一環(huán)按底板以及澆筑腹板(高85cm)進(jìn)行，對(duì)稱(chēng)分5個(gè)節(jié)段澆筑，在節(jié)段1拱腳端頭以及節(jié)段2中部預(yù)留50cm合攏段，完成所有節(jié)段后，進(jìn)行整個(gè)拱圈的腹板以及底板的合攏。第一環(huán)合攏后，開(kāi)始澆筑第二環(huán)，第二環(huán)分3個(gè)節(jié)段，拱腳第一節(jié)段與拱頂?shù)诙?jié)段澆筑同時(shí)進(jìn)行，然后澆筑第二環(huán)第三節(jié)段完成頂板合攏。施工縫必須與底板、腹板節(jié)段施工縫錯(cuò)開(kāi)50cm。

3.2設(shè)計(jì)檢算

根據(jù)拱圈混凝土澆筑順序，驗(yàn)算支架底板澆筑時(shí)鋼拱架所承受的荷載，根據(jù)施工階段分為6個(gè)工況進(jìn)行計(jì)算。如表1所示。

表1　施工工況表

3.2.1鋼拱架安裝臨時(shí)支架驗(yàn)算

臨時(shí)安裝鋼管支架驗(yàn)算，施加荷載按6片鋼拱架一組，每組4.6t，取1.2安全系數(shù)進(jìn)行加載。計(jì)算所得應(yīng)力如圖5所示，最大組合應(yīng)力為124.8MPa，小于A3鋼的允許應(yīng)力140MPa。

圖5　安裝臨時(shí)支架應(yīng)力圖

計(jì)算得支架位移如圖6所示，最大位移為1.1mm，位移較小，結(jié)構(gòu)安全。

圖6　安裝臨時(shí)支架位移圖

3.2.2鋼拱架驗(yàn)算

支架驗(yàn)算采用Midas軟件進(jìn)行，荷載均勻施加于拱架單元上，鋼拱架采用梁?jiǎn)卧＝▽?shí)體模型如圖7所示。

圖7　鋼拱架模型圖

3.2.3鋼拱架計(jì)算結(jié)果分析

表2　鋼拱架計(jì)算結(jié)果表

其中工況六的計(jì)算結(jié)果如下：

(1)計(jì)算得工況六澆筑拱腰混凝土節(jié)段5時(shí)支架應(yīng)力如圖8所示。

圖8　鋼拱架工況六應(yīng)力圖

(2)計(jì)算得工況六澆筑拱腰混凝土節(jié)段5時(shí)拱架變形如圖9所示。

圖9　鋼拱架工況六位移圖

計(jì)算得工況六最大組合應(yīng)力為182.8MPa，<16mm鋼材允許應(yīng)力[σ]=210MPa；支架最大下?lián)现禐?.5cm，<70/1 000=0.07m合7cm；滿(mǎn)足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/TF50-2011)對(duì)拱式拱架受載后的彈性撓度要求。

3.2.4計(jì)算反力結(jié)果

(1)計(jì)算得工況六澆筑完拱圈底板拱架拱腳每個(gè)支點(diǎn)支反力如圖10所示，最大支反力FX水平縱橋向?yàn)?7.6 t，F(xiàn)Y水平橫橋向?yàn)?.8 t，F(xiàn)Z豎向?yàn)?3.3 t。

圖10　鋼拱架工況六反力圖

3.2.6拱架拱腳基礎(chǔ)驗(yàn)算

現(xiàn)澆支架拱架支座底澆筑寬為50 cm，厚為30 cm的C25混凝土拱腳地梁，澆筑時(shí)預(yù)埋反U型鋼筋，以固定[25槽鋼導(dǎo)軌。計(jì)算采用Midas軟件建立基礎(chǔ)實(shí)體單元。只驗(yàn)算澆筑完拱圈底板與腹板后，在該支反力的作用下基礎(chǔ)的受力情況。拱圈全部澆筑完后拱腳FZ豎向支反力為33.3 t。18個(gè)支點(diǎn)共計(jì)599.4 t，均勻分配到12 m[25槽鋼導(dǎo)軌上混凝土基礎(chǔ)面受壓為199.8 t/m2。建立模型計(jì)算得C25混凝土基礎(chǔ)最大壓應(yīng)力為2.0 MPa，基礎(chǔ)應(yīng)力較小。

圖11　鋼拱架拱腳基礎(chǔ)應(yīng)力圖

4　結(jié)語(yǔ)

在日常施工生產(chǎn)管理中，如何避免橋梁結(jié)構(gòu)體系失穩(wěn)而導(dǎo)致災(zāi)難性的安全質(zhì)量事故，須通過(guò)技術(shù)平臺(tái)的指導(dǎo)和科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)尿?yàn)算去實(shí)現(xiàn)管理的提升。本文結(jié)合實(shí)例介紹鋼拱架施工設(shè)計(jì)方案，通過(guò)Midas結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行受力分析，探討此類(lèi)橋梁結(jié)構(gòu)體系的理論驗(yàn)算，以達(dá)到科學(xué)高效、降本增效的標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)常備式鋼拱架設(shè)計(jì)與施工有一定的指導(dǎo)性。

[1]向中富，徐君蘭，王銀輝，等.拱橋拱架施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)行為分析[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2001(11)：17-22.

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[5]路橋集團(tuán)第一公路工程局.公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[M].北京：人民交通出版社，2011.

Standing-type Steel Arch Construction Design and Stress Analysis

TANG Ying-xian

(Guangxi Road and Bridge Engineering Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530011)

Compared to column-type steel-tube bailey floor bracket mounting，the steel arch has advantages such as simple components，light weight of each single piece，easy transportation and mounting，and high standardization degree，which is then widely used in the construction of reinforced concrete arch bridges with the 50～140m span.In combination with the in-situ arch frame construction project of reinforced concrete main arch，this article introduced the construction design program of standing-type steel arch，and through the structure calculation software Midas，it conducted the stress analysis on the stent system as well as the box girder sections of reinforced concrete main arch，so that all checking indicators of components can meet the design requirements and specifications，thereby providing the reference for the construction of similar bridges.

Main arch；Steel arch；Construction design；Structural calculation software；Midas software；Stress analysis

U445.35

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.07.007

1673-4874(2016)07-0027-04

2016-06-11

唐穎賢(1987—)，工程師，研究方向：公路橋梁施工管理。