趙　陽(yáng)　王建金

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司　貴陽(yáng)　550081)

山區(qū)高大跨連拱支架設(shè)計(jì)與研究

趙陽(yáng)王建金

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司貴陽(yáng)550081)

摘要依托一座6跨連續(xù)的上承式拱橋，闡述了主拱圈的支架設(shè)計(jì)過(guò)程，并進(jìn)行了相關(guān)的分析研究。針對(duì)工程特點(diǎn)，支架體系采用鋼拱架下接鋼管柱的結(jié)構(gòu)形式。為保證主拱圈澆注的質(zhì)量以及施工過(guò)程的安全，文中采用大型通用有限元軟件Midas Civil對(duì)支架進(jìn)行了有限元仿真模擬，分析了在相應(yīng)荷載下支架的應(yīng)力、變形及穩(wěn)定性，以利結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞上承式拱橋支架有限元安全設(shè)計(jì)

貴州省由于地形地貌以高原山地為主，山體巖層堅(jiān)硬，且橋梁以跨越深谷或水道為主,故貴州省常見(jiàn)的橋型為拱橋。支架法施工澆筑主拱圈常采用滿堂支架形式，對(duì)于高大跨的多跨連續(xù)拱橋而言，需要采用特殊的支架形式。本文針對(duì)這類高大跨拱橋，提出了相應(yīng)支架結(jié)構(gòu)形式，并采用有限元仿真分析方法研究了這類支架結(jié)構(gòu)的受力特性。

1連拱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及支架布置

1.1連拱總體布置

該橋結(jié)構(gòu)形式為槽殼、排架、主拱圈的組合上承式拱橋結(jié)構(gòu)，渡槽主槽為C30混凝土簡(jiǎn)支U形槽殼；支撐于C25鋼筋混凝土排架柱上，排架則直接坐落于拱圈上，最高達(dá)到28 m；主拱圈單跨108 m，矢高為27 m，采用6跨連續(xù)布置，主拱圈頂離地面高達(dá)67 m，拱圈截面采用雙箱式箱梁。橋型布置見(jiàn)圖1。

圖1　青年隊(duì)渡槽連拱總體布置圖(單位:cm)

渡槽連拱拱圈施工方案對(duì)有支架法與無(wú)支架法進(jìn)行了相應(yīng)的比選。由于青年隊(duì)渡槽為連拱渡槽，采用預(yù)制吊裝時(shí)，最大分塊重量相對(duì)較大，這要求中間塔架的剛度、強(qiáng)度十分高，且施工控制的難度較大，具有一定的工程風(fēng)險(xiǎn)，因此最終采用有支架法施工[1]。

采用支架法施工該連拱有2點(diǎn)難度：①主拱圈頂距離地面高度太高，最高處達(dá)到64 m，必須設(shè)計(jì)特殊的支架結(jié)構(gòu)來(lái)滿足強(qiáng)度、剛度，尤其是結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的要求；②該拱橋?yàn)?跨連續(xù)，為避免連拱效應(yīng)必須6跨滿布支架并同步進(jìn)行澆筑，這對(duì)支架結(jié)構(gòu)的要求將更加嚴(yán)格，同時(shí)必須優(yōu)化結(jié)構(gòu)以降低工程造價(jià)。

1.2支架形式的確定

青年隊(duì)渡槽主拱圈截面為雙箱型截面，箱寬6 m，箱高2.2 m，頂、底板厚度為30 cm，3道腹板厚度均為40 cm。箱型主拱圈重量相對(duì)于現(xiàn)澆施工而言難度不大，但是主拱圈距離地面高度過(guò)高，若采用普通鋼管立柱上接貝雷梁的支架現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)的屈曲穩(wěn)定性要大打折扣。

因此，本工程選擇了鋼拱架形式的支架體系，利用現(xiàn)有的拱座，搭設(shè)好的鋼拱架結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下，拱腳將產(chǎn)生水平推力，減小主拱圈的截面彎矩，從而大大地增加了跨越能力[2]。但由于鋼拱架矢跨比較小，拱架跨中必須設(shè)置一些豎向支撐以滿足受力要求，故最終的結(jié)構(gòu)形式為鋼拱架下接鋼管柱的支架形式，其布置圖見(jiàn)圖2。

圖2　支架結(jié)構(gòu)布置圖(一跨)

如圖2所示，支架的組成從下至上為：C30混凝土基礎(chǔ)；橫橋向5根、縱橋向2根直徑×壁厚∏630 mm×8 mm鋼管，采用L80×10角鋼焊接成格構(gòu)柱的形式；橫橋向的分配梁采用2根焊接的I32a型工字鋼；貝雷拱架橫向由14片貝雷組成，貝雷橫向用L50×5角鋼標(biāo)準(zhǔn)花架連接，縱向由8×14片異形塊相連，拱腳處由異形塊連接貝雷拱架和拱座；100 mm×100 mm方木。其中格構(gòu)柱結(jié)構(gòu)縱向之間利用3根直徑×壁厚=350 mm×6 mm鋼管連接，以增強(qiáng)格構(gòu)柱的屈曲穩(wěn)定性，橫向布置見(jiàn)圖3。

圖3　支架結(jié)構(gòu)橫向布置圖

2支架結(jié)構(gòu)三維有限元模型

由于支架結(jié)構(gòu)為空間的桿系單元組成，本文采用大型通用有限元軟件Midas Civil進(jìn)行支架結(jié)構(gòu)的仿真分析，全支架結(jié)構(gòu)采用桿系有限元進(jìn)行模擬。

2.1荷載說(shuō)明

支架體系荷載包括3個(gè)方面：

(1) 永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值，包括作用在模板支架上的主拱圈結(jié)構(gòu)荷載、組成模板支架結(jié)構(gòu)的桿系自重、配件自重，以FGK表示。

(2) 可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值，包括人群、混凝土振搗FQK。

(3) 靜力風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值FWK。

本文進(jìn)行支架強(qiáng)度時(shí)的荷載設(shè)計(jì)值，取其標(biāo)準(zhǔn)值乘以相應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)：永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)，取1.2；可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)，取1.4；風(fēng)荷載取1.0。即

(1)

2.2邊界條件

邊界條件的各桿件耦合自由度問(wèn)題，作如下安排。

(1) 鋼管柱底部的6個(gè)方向的自由度全約束。

(2) 約束鋼管柱頂部與分配工字鋼的六向自由度。

(3) 約束分配工字鋼與貝雷梁底部接觸節(jié)點(diǎn)的三向線位移自由度。

(4) 約束貝雷梁頂部接觸節(jié)點(diǎn)與分配方木的三向線位移自由度。

2.3模型建立

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件來(lái)看，整個(gè)地區(qū)地質(zhì)較好，巖體完整，且本工程中鋼管立柱下設(shè)置混凝土基礎(chǔ)，使得各立柱底座發(fā)生的位移偏差十分小，對(duì)整個(gè)支架系統(tǒng)而言，引起的附加內(nèi)力較小可忽略，因此模型中所有立柱底座采用剛性約束。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉宗仁教授[3]為此提出一種概念，既旋轉(zhuǎn)扣件連接而成的扣件式支架系統(tǒng)，各桿件的連接處處于“半剛性”的狀態(tài)，且螺栓松緊程度影響了其整體穩(wěn)定性。實(shí)際工程里，受到施工中各種條件的約束，且高空焊接作業(yè)較為困難，許多連接件的焊接并未按照理想狀態(tài)進(jìn)行。例如分配工字鋼與貝雷梁底部接觸節(jié)點(diǎn)的側(cè)向線位移由于焊接條件有限，筆者認(rèn)為施加其連接的邊界條件時(shí)，需通過(guò)MidasCivil中彈性連接來(lái)施加，X，Y向剛度給定一個(gè)較小值10kN/mm，豎向剛度取無(wú)窮大109kN/mm。

模型根據(jù)直接結(jié)構(gòu)體系實(shí)際的空間布置，由于支架體系較高，考慮到靜力風(fēng)荷載，本文選取距離拱頂最高(高達(dá)67m)第三跨作為最不利的模型進(jìn)行有限元計(jì)算分析，模型建立見(jiàn)圖4。

圖4　支架結(jié)構(gòu)有限元模型圖

3支架結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果與分析

支架結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算分為3個(gè)部分，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算以確保體系的安全；結(jié)構(gòu)剛度驗(yàn)算，確保主拱圈的澆注時(shí)不會(huì)因?yàn)槟０遄冃未蠖霈F(xiàn)裂縫等病害；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算，確保結(jié)構(gòu)在荷載作用下處于某種平衡狀態(tài)，以保證支架結(jié)構(gòu)的安全。

3.1支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

通過(guò)有限元分析計(jì)算處理，得出各桿件的應(yīng)力值見(jiàn)表1。

表1　支架結(jié)構(gòu)各桿件應(yīng)力值

根據(jù)文獻(xiàn)[4]規(guī)定Q345A強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(f=295MPa)，Q235A強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(f=205MPa)。

鋼拱架包括貝雷梁與異形塊，其材料采用Q345鋼，其中整個(gè)支架體系中鋼拱架的異形塊受力最大，達(dá)到其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的87.3%；鋼拱架下方各鋼構(gòu)件均采用Q235鋼，直徑630mm鋼管受力為該類鋼中受力最大構(gòu)件，達(dá)到Q235A鋼強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的48.8%。

由此可知，在加工鋼拱架時(shí)必須嚴(yán)格控制焊接、拼接質(zhì)量，精確控制吊裝過(guò)程，確保鋼拱架的強(qiáng)度達(dá)到要求。

3.2支架結(jié)構(gòu)剛度

模板變形過(guò)大將影響上部結(jié)構(gòu)的線性，還將引起澆注不均勻，從而形成裂縫，降低主拱圈的承載能力。

根據(jù)文獻(xiàn)[5]中規(guī)定，撓度不得超過(guò)模板構(gòu)件跨度的1/400，其中摸板承力構(gòu)件為貝雷梁，且其豎向位移見(jiàn)圖5，最大值為12.85mm，小于其跨度的1/400，貝雷梁的跨度L=15m，所以L/400為37.5mm>12.85mm，剛度滿足規(guī)范要求。

圖5　支架模板承力構(gòu)件變形

3.3支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

結(jié)構(gòu)軸向承受壓力時(shí)，如果荷載在臨界載荷以內(nèi)，給結(jié)構(gòu)一個(gè)橫向力來(lái)干擾，結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生一定的撓曲變形，但是，撤銷這個(gè)橫向力時(shí)，結(jié)構(gòu)將回到初始的平衡狀態(tài)，此時(shí)結(jié)構(gòu)桿件處于穩(wěn)定的彈性平衡狀態(tài)。若軸向荷載大于臨界載荷，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力剛化產(chǎn)生的應(yīng)力剛度矩陣就會(huì)抵消結(jié)構(gòu)本身的剛度矩陣，這時(shí)結(jié)構(gòu)施加一個(gè)很小的橫向力就會(huì)產(chǎn)生一定的撓曲變形，而且在撤銷這個(gè)橫向力后結(jié)構(gòu)不能恢復(fù)到原有的平衡狀態(tài)，這就是結(jié)構(gòu)失穩(wěn)理論。

對(duì)于支架結(jié)構(gòu)這類龐大的鋼結(jié)構(gòu)體系，必須通過(guò)屈曲分析，本文采用有限元建模進(jìn)行了相應(yīng)的穩(wěn)定性分析，其三階屈曲分析臨界荷載失穩(wěn)特性值分別為4.014，4.032，4.393，均大于4，其中第一階屈曲模態(tài)圖見(jiàn)圖6。

圖6　支架結(jié)構(gòu)一階屈曲模態(tài)圖

由圖6可見(jiàn)，其失穩(wěn)特性值為4.014，滿足要求。圖中標(biāo)記為最先失穩(wěn)部位的鋼拱架異形塊，這表明支架體系中異形塊不僅應(yīng)力值最大、也是穩(wěn)定性相對(duì)較弱的部位。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，當(dāng)拆除完2號(hào)梁段支架時(shí)，4號(hào)、5號(hào)梁段間支架處反力達(dá)到670kN>Fmax，且當(dāng)3號(hào)支架拆完后，該點(diǎn)反力已達(dá)到840kN，超過(guò)最大能承受反力的140%。

4結(jié)語(yǔ)

(1) 本文對(duì)一類高大跨的拱橋主拱圈現(xiàn)澆支架設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述，可為相關(guān)工程提供特定參考。

(2) 采用MidasCivil有限元軟件對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模分析計(jì)算，得出該三維有限元模型建立的思想能較好地模擬龐大支架體系。

(3) 鋼拱架及鋼管支撐的組合結(jié)構(gòu)作為支架體系現(xiàn)澆主拱圈時(shí)，其最不利受力構(gòu)件為連接貝雷片的異形塊，施工過(guò)程中必須嚴(yán)格控制異形塊的制作以及異形塊與貝雷梁間的連接。

參考文獻(xiàn)

[1]陳萬(wàn)敏.連拱高大跨渡槽施工方案設(shè)計(jì)[J].中國(guó)水運(yùn)，2013(6)：242-243.

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[3]劉宗仁.扣件式鋼管腳手架臨界力下限計(jì)算方法[J].建筑技術(shù)，2001,32(8):541，543.

[4]GB50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

[5]JTG/TF50-2011公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社,2011.

收稿日期：2014-10-21

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.009