汪捍東，陳正

(四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，四川 成都 610041)

砼箱形拱橋由于主拱圈截面以受壓為主，能充分發(fā)揮砼的抗壓性能，且具有降低工程造價(jià)、施工工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)，成為跨越溝谷的理想橋型之一。六四式鐵路軍用梁是中國(guó)自行研制的適用于中等跨度、標(biāo)準(zhǔn)軌距和1 m軌距的鐵路橋梁搶修制式器材，其主要構(gòu)件分為標(biāo)準(zhǔn)三角(六四式鐵路軍用梁)與加強(qiáng)三角(加強(qiáng)型六四式鐵路軍用梁)，標(biāo)準(zhǔn)三角所有桿件均采用l6錳低合金鋼鋼材，加強(qiáng)三角除上弦和弦桿采用15錳釩氮低合金鋼鋼材加強(qiáng)外，其余桿件也均采用16錳低合金鋼鋼材。湖北省恩施州巴東縣野三關(guān)大橋主拱圈澆筑中，鋼拱架利用六四式軍用梁中標(biāo)準(zhǔn)三角和加強(qiáng)三角，通過特制T形連接構(gòu)件及拱腳端三角進(jìn)行連接，以折線形式擬合懸鏈線而拼裝成形。

1 工程簡(jiǎn)介

野三關(guān)大橋全橋位于直線段上，全橋布跨為2×20 m簡(jiǎn)支T梁+130 m鋼筋砼箱拱+20 m簡(jiǎn)支T梁，總長(zhǎng)204 m，交角為90°。主橋?yàn)樯铣惺戒摻铐畔湫喂埃鞴叭榈冉孛鎽益溇€箱形無鉸拱，凈跨徑L0=130 m，凈矢高f0=32.5 m，凈矢跨比1/4；主拱圈計(jì)算跨徑L=131.896 m，計(jì)算矢高f=32.935 m，拱軸系數(shù)m=2.2。

鋼拱架采用六四式軍用梁拼裝，拱軸線依據(jù)該橋拱橋軸線參數(shù)擬定，線形為懸鏈線，L0=126.708 m，f0=30.266 m，凈矢跨比為S/L=0.239，m=2.2。

鋼拱架由標(biāo)準(zhǔn)三角或加強(qiáng)三角與特制T形連接板和拱腳端三角組裝而成。單榀鋼拱架由18片8 m鋼拱架、3片4 m鋼拱架、18片特制T形連接構(gòu)件和2片特制拱腳端三角拼裝而成，標(biāo)準(zhǔn)三角之間或標(biāo)準(zhǔn)三角與T形連接構(gòu)件均用六四式軍用梁鋼銷連接，標(biāo)準(zhǔn)三角與拱腳端三角采用六四式軍用梁撐桿鋼銷連接。全橋橫向布置34榀六四式軍用梁，拱架全寬10.12 m。拱圈、拱架平立面布置見圖1。

圖1 拱圈、拱架布置(單位：cm)

2 有限元模型

結(jié)構(gòu)分析采用MIDAS/Civil有限元分析軟件，鋼拱架采用空間桿系模擬，拱圈腹板、頂板、橫隔板、底板采用板單元模擬，拉索及纜風(fēng)索均采用桁架單元模擬。

2.1 模型荷載

模型荷載主要考慮自重、拱盔荷載、施工荷載、風(fēng)荷載及溫度荷載。其中：自重由鋼材及砼的容重計(jì)算得到；考慮槽鋼和竹膠板(模板)等拱盔結(jié)構(gòu)自重，每節(jié)點(diǎn)施加大小為0.112 kN的節(jié)點(diǎn)荷載；根據(jù)JTG/T F50-2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》附錄D，考慮到施工人員和施工材料、機(jī)具行走運(yùn)輸或堆放產(chǎn)生的荷載及振搗砼產(chǎn)生的荷載，施加一個(gè)4.5 kN/m2的均布荷載到拱圈底板面，通過拱圈底板傳遞給鋼拱架；根據(jù)JTG/T D60-2004《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算得到風(fēng)荷載F=1.9 kN/m；溫度荷載按升降溫15 ℃考慮。

各施工階段的荷載組合為1.0自重+1.0施工荷載+1.0風(fēng)荷載+1.0纜風(fēng)索初拉力荷載。

PostCS階段(成橋階段)的荷載組合分為2種：1) 1.0恒荷載+1.0升溫；2) 1.0恒荷載+1.0降溫(其中自重、施工荷載、風(fēng)荷載、纜風(fēng)索初拉力荷載均為恒荷載)。

2.2 拱圈模型

考慮到該橋主拱圈采用分環(huán)分段進(jìn)行施工，主拱圈采用板單元模擬，按照施工流程將模型分為9個(gè)節(jié)段CS22～CS30,分別為一環(huán)一段、一環(huán)二段、一環(huán)三段、二環(huán)一段、二環(huán)二段、二環(huán)三段、三環(huán)一段、三環(huán)二段、三環(huán)三段。主拱圈有限元模型見圖2。

圖2 主拱圈有限元模型

2.3 鋼拱架模型

鋼拱架采用纜索吊裝法組裝，先從拱腳S11～S13節(jié)段對(duì)稱吊裝拼裝，再安裝S14節(jié)段完成單榀拱架合龍，最后逐一安裝其余單榀拱架(見圖3)。

圖3 鋼拱架安裝順序示意圖

根據(jù)鋼拱架安裝方法，有限元模型共分為20個(gè)節(jié)段，各節(jié)段安裝的同時(shí)張拉扣索及纜風(fēng)索。由于風(fēng)荷載只在鋼拱架一側(cè)模擬，纜風(fēng)索只在風(fēng)荷載同側(cè)模擬，并賦予50 kN的初拉力。為確保數(shù)值分析的準(zhǔn)確性，模型根據(jù)工程實(shí)際情況模擬出兩側(cè)交界墩及錨碇用于張拉背索。鋼拱架有限元模型見圖4。

圖4 鋼拱架有限元模型

3 數(shù)值分析

按照實(shí)際施工順序進(jìn)行數(shù)值分析。模型共分20個(gè)施工節(jié)段，其中CS1～CS20節(jié)段為鋼拱架分節(jié)段拼裝，CS21節(jié)段為拆除扣索、背索，橫向連接施工、施加拱盔荷載，CS22～CS30施工節(jié)段為主拱圈砼分環(huán)分段澆筑。

3.1 CS1～CS20節(jié)段數(shù)值分析

對(duì)鋼拱架分節(jié)段拼裝進(jìn)行數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)在鋼拱架分節(jié)段拼裝過程中應(yīng)力較小。在CS20節(jié)段，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)最大應(yīng)力，最大拉、壓應(yīng)力分別為111、-104.6 MPa；在CS8和CS12節(jié)段，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)最大位移38.9 mm。對(duì)鋼拱架影響較小，在此不再贅述。

3.2 CS21～CS30節(jié)段數(shù)值分析

在拆除鋼拱架扣索及主拱圈分環(huán)分段澆筑(CS21～CS30節(jié)段)過程中，鋼拱架數(shù)值分析結(jié)果見表1和圖5、圖6，應(yīng)力以受拉為正、受壓為負(fù)。

表1 CS21～CS30施工節(jié)段鋼拱架數(shù)值分析結(jié)果

圖5 CS21～CS30節(jié)段最大應(yīng)力

圖6 CS21～CS30節(jié)段最大位移

由表1和圖5、圖6可知：在主拱圈分環(huán)分段澆筑過程中，鋼拱架的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性均滿足施工要求。拱架最大拉應(yīng)力為81.4～105.9 MPa，變化較??；壓應(yīng)力由-103.5 MPa逐步遞增至-220.0 MPa，在澆筑主拱圈的過程中，特別是在CS24節(jié)段及以后，應(yīng)實(shí)時(shí)關(guān)注以上弦桿為代表的受壓桿件，以防桿件受壓失穩(wěn)。相對(duì)于CS21節(jié)段，CS22節(jié)段時(shí)拱腳受壓抬高拱頂致使變形位移減小，而CS23節(jié)段時(shí)拱頂受壓致使變形位移陡升，直到CS24節(jié)段鋼拱架變形才趨于穩(wěn)定。在澆筑主拱圈尤其是一環(huán)一段和一環(huán)二段施工時(shí)，應(yīng)注意拱架變形，保證主拱圈設(shè)計(jì)線形。

3.3 PostCS階段數(shù)值分析

依據(jù)JTG D64-2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》，PostCS階段考慮溫度荷載(升降溫15 ℃)的影響。該階段鋼拱架數(shù)值分析結(jié)果見表2。

表2 PostCS階段鋼拱架數(shù)值分析結(jié)果

PostCS階段主要考慮溫度荷載對(duì)鋼拱架的影響。由表2可知：在升溫作用下，鋼拱架最大拉、壓應(yīng)力變化均不大；在降溫作用下，最大拉應(yīng)力下降接近20 MPa；鋼拱架最大位移在溫度作用下均下降。說明溫度荷載對(duì)鋼拱架有一定影響，選擇合適的溫度合龍鋼拱架和主拱圈有利于結(jié)構(gòu)受力。

4 結(jié)論

通過對(duì)鋼拱架安裝及主拱圈澆筑全過程的數(shù)值分析，得出以下結(jié)論：

(1) 利用六四式軍用梁拼裝鋼拱架以現(xiàn)澆主拱圈，鋼拱架設(shè)計(jì)能滿足規(guī)范規(guī)定的風(fēng)荷載、施工荷載、溫度荷載、纜風(fēng)索初拉力荷載及拱圈自重組合作用下的承載力要求。

(2) 合適的溫度會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生有利影響，可進(jìn)一步細(xì)分溫度荷載下數(shù)值分析結(jié)果，探究鋼拱架及拱圈合龍的最有利溫度。

(3) 鋼拱架若有部分應(yīng)力超過設(shè)計(jì)值，可用加強(qiáng)三角代替標(biāo)準(zhǔn)三角，以增強(qiáng)鋼拱架的局部強(qiáng)度，同時(shí)提升工程經(jīng)濟(jì)性。