許貴滿，韓海婭

（黔南民族職業(yè)技術學院 建筑工程與設計系，貴州 都勻 558000）

0 引言

拱橋具有受力合力、造型美觀、跨度大等特點，拱橋的施工往往要面臨河流的問題，不能直接在河中搭設滿堂支架形成支架結構體系，如果未采取合理的支架方案就容易造成支架結構體系承受不了現(xiàn)澆混凝土拱橋的荷載，導致支架結構體系的強度和剛度等問題，造成坍塌事故。因此，選擇合理支架結構方案對保證拱橋施工順利進行具有至關重要的意義。

近年來，作為裝配式軍用梁的貝雷梁在橋梁結構施工中的應用優(yōu)勢明顯。采用ANSYS分析軟件建立三維鋼管貝雷梁支架結構有限元模型，采取四種不同加強措施的貝雷梁支承結構方案進行數(shù)值模擬，通過對比分析，優(yōu)選出適合本工程的施工支承結構體系方案，并依據(jù)數(shù)值結構提出相應的其他加強措施，該工程的成功應用能為類似工程提供經(jīng)驗參考。

1 工程概況

銅仁市興市橋改擴建工程，擬建新橋位于原橋兩側，分為左右幅，上跨錦江河，橋梁與河道基本正交。該橋采用75 m鋼筋混凝土箱型拱，橋面寬7.18 m，全長96.09 m，主拱圈橫斷面單箱雙室結構，拱軸系數(shù)為3.5，矢跨比為1/7.5，拱橋箱梁寬6.55 m，箱梁高2 m，施工重點在于澆筑主拱圈的支架方案。

目前，貝雷梁在拱橋主體結構施工的應用主要有兩種形式[1]：①貝雷梁形成多跨梁橋構成支承平臺，搭設滿堂式支架形成拱架；②利用貝雷片直接拼裝成拱架。由于施工現(xiàn)場處于城區(qū)，無法有足夠的場地提供拱架拼裝架設，故選擇第一種形式。采用鋼沉箱圍堰，架立無縫鋼管Φ624 mm×12 mm作為中間臨時支墩，在兩個臨時中間支墩上放置3根45 b工字鋼作為橫梁，在橫梁上拼裝8組貝雷梁作為支承結構平臺。每組貝雷梁由2排貝雷片組成并用標準的45支撐架將其聯(lián)結，再將每組貝雷梁用扣件式鋼管鎖住，形成三跨連續(xù)貝雷梁鋼管支承平臺，在支承平臺上鋪設方木，搭設滿堂式支承架，支承架上鋪設竹膠板形成拱圈底模板。拱圈混凝土澆筑施工完全依賴整個貝雷梁支承結構體系的支承，如圖1和2所示。該支承體系的施工方案是否合理、結構是否安全直接關系到整個拱橋施工的安全及進度。

圖1 鋼管貝雷梁支承架立面（除標高外為mm）

2 貝雷梁加強方案

貝雷片的材料為16Mn，主要由弦桿、豎桿和斜桿組成。弦桿由兩根10號槽鋼（背靠背）組合而成，豎桿和斜桿由8號工字鋼制成。貝雷梁隨著跨度的增大，其剛度降低、穩(wěn)定性差、承載能力下降，需要采用與貝雷片上下弦桿材料、斷面和構造均相同的加強弦桿對貝雷梁進行加強。為研究加強弦桿使用位置不同對整個鋼管貝雷梁支架的影響，分別采用四種不同的加強結構體系進行數(shù)值模擬，如圖3所示。

圖3 四種不同加強結構體系施工方案

3 數(shù)值模擬

依據(jù)施工方案布置的鋼管貝雷梁支承結構體系，利用ANSYS軟件建立其三維空間有限元模型。計算模型共有89 910個BEAM單元、2212個SHELL單元和99 671個網(wǎng)格節(jié)點。鋼材采用彈塑性模型，彈性模量E=206 GPa，切線模量ET=20 GPa，泊松比ν=0.275鋼管和工字鋼屈服強度σs=235 MPa，貝雷梁屈服強度σs=345 MPa，密度ρ=7850 kg/m3；木材采用彈性模型，彈性模量E=9 GPa，泊松比ν=0.3，除拱架模板采用SHELL63模擬以外，其余采用BEAM188單元模擬。因貝雷梁是用圓柱鋼銷將陰頭和陽頭連接在一起，實際是一種半剛性的節(jié)點，根據(jù)文獻[2]，采用Matrix27單元模擬，其節(jié)點剛度對貝雷梁桁架剛度和強度影響不明顯，即可以處理為鉸結，也可處理為剛結，為考慮施工方案安全計算，將貝雷片之間的連接簡化為鉸結，整個支承結構體系有限元模型如圖4所示，該計算模型的邊跨支座為鉸支座約束，中跨鋼管底部為固定支座約束。

圖4 鋼管貝雷梁支承結構體系有限元模型

4 計算結果分析及應用

為了研究不同加強措施對鋼管貝雷梁支承結構體系的影響，分別采用三種不同加強措施進行數(shù)值模擬，利用未采取加強措施的方案進行對比。最后，通過分析計算結果，從變形、應力大小以及經(jīng)濟等因素綜合考慮優(yōu)選出了較為合理的加強措施作為施工的方案。

4.1 變形分析

拱橋的拱圈施工的重點控制對象之一就是拱軸線的線型。支承拱圈的鋼管貝雷梁支承結構體系變形直接影響拱軸線的線型控制，澆筑拱圈混凝土之前如果未考慮其變形，將會影響拱橋的線型，從而影響后期的正常使用及其美觀，甚至出現(xiàn)安全問題。

在四種不同加強措施下，支承結構體系的豎向位移如圖5所示。由圖5可知，四種不同加強措施在邊跨跨中處發(fā)生的豎向位移最大，所以在控制拱軸線時，應特別注意邊跨跨中位置的拱圈模板預抬量。從數(shù)值上能夠看出，加強上下弦桿時最大豎向位移變化量最小，加強下弦桿其次，加強上弦桿次之，未加強最大。說明增加加強弦桿能提高支承結構體系的整體剛度，按照規(guī)范[3]要求，允許最大變形為L/400，即60 mm，未加強的支承體系最大變形為65.2 mm，已超過規(guī)范對剛度的要求，其余三種采用加強弦桿的剛度均滿足規(guī)范要求，說明本工程必須采用加強弦桿進行加強。相對未加強的結構體系而言，上下加強、下加強和下加強的最大豎向位移分別降低36.8%、19.5%和16.4%，加強上下弦桿明顯優(yōu)于加強下弦桿和上弦桿，但是加強上下弦桿需要增加弦桿構件的數(shù)量，且支承結構體系施工更為復雜，會增加租賃和人工成本。加強下弦桿最大豎向位移量最大52.5 mm小于加強上弦桿的54.5 mm，且兩者需要的加強弦桿數(shù)量相同的情況下，加強下弦桿的措施對支承結構體系的剛度更為有利。

圖5 四種支承結構體系施工方案的豎向位移云圖

為控制好拱軸線的線型，使?jié)仓叭炷脸尚秃蠓显O計圖紙要求，施工前應該根據(jù)支承結構體系自重和澆筑混凝土拱圈荷載的變形之差，計算得到拱架模板的預抬量，通過鋼管上支撐的頂托調(diào)整底模板頂標高等于設計成型拱圈底標高加上支承結構體系的預抬量，澆筑施工完成后得到的成型拱圈的軸線才能符合設計要求。以加強下弦桿的施工方案為例，支承拱圈的模板預抬量如圖6所示，在實際工程中得到了成功的應用，并較好地控制拱軸線線型，確保了工程質(zhì)量。

圖6 加強下弦桿拱架變形曲線

從圖6中可以看出，支承系統(tǒng)自重變形曲線的理論計算值與實測值變化趨勢近似，說明計算與實際相符，實測值稍大于理論值，主要原因是貝雷片利用螺栓連接，銷與空隙間存在設計空隙，在理論中尚未考慮這種間隙，貝雷梁受力后兩者之間存在部分非彈性變形。

圖7為鋼管支承架的水平位移云圖，從圖7中可以看出，最大的水平位移是在兩側的鋼管頂端，由于鋼管頂端懸挑，故在施工中應注意其壓桿穩(wěn)定問題，防止出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象導致安全事故?？刹扇≡黾?5°剪刀撐提高整個支承架的穩(wěn)定性，在鋼管頂端增加兩個方向的水平橫桿減小鋼管頂端懸挑長度，從而減小其長細比，提高局部穩(wěn)定，加載前應注意檢查鋼管扣件的連接牢固，確保形成整體均勻受力。

圖7 鋼管支承架的水平位移

4.2 應力分析

隨著拱圈混凝土的澆筑，荷載的逐漸增大，鋼管貝雷梁支承結構體系的承載能力是施工中要考慮的重要內(nèi)容。四種不同加強措施的軸向應力云圖如圖8所示。由圖8可知，最大的拉應力和壓應力均發(fā)生在中跨的支座位置，應特別注意在中跨支座部位的加固措施，防止桿件發(fā)生應力集中和局部破壞。從圖8中可以看出，未采用加強弦桿進行加強的情況下，下弦桿應力明顯比上弦桿應力大，達到370 MPa，超過材料的屈服應力，如果不采用加強弦桿，承載能力無法達到要求。加強上弦桿最大壓應力并未減小，反而增大，在提高承載能力方面并未起到作用，加強下弦桿最大壓應力降低至326 MPa，低于材料的屈服強度345 MPa，相比之下，比未加強的最大壓應力降低了11.9%，而對上下弦桿均加強，拉壓應力均降低，且最大應力降低效果與下弦桿加強的類似，但是耗費材料是下弦桿加強的兩倍，不經(jīng)濟。綜合考慮，加強弦桿放置在下弦桿進行加強，不僅能夠滿足支承結構體系的承載力要求，而且可以節(jié)約材料。

圖8 四種施工方案的軸向應力云圖

圖9和10分別為橫梁和無縫鋼管的應力云圖。

圖9 鋼管的應力云圖

圖10 橫梁的應力云圖

從圖9、10可以看出，無縫鋼管最大壓應力為152 MPa，長細比為20，屬于短粗桿件，故不考慮穩(wěn)定問題，且滿足強度條件。橫梁最大應力均出現(xiàn)在鋼管支座位置的上下表面，為防止無縫鋼管和橫梁的局部屈曲，施工過程中應該特別注意在其連接位置布置加勁肋以提高兩者的局部承載力。

5 結語

采用ANSYS有限分析軟件對四種施工加強措施進行仿真模擬，通過比較變形可知，不采用加強弦桿無法滿足剛度要求，變形過大超過規(guī)范允許的范圍，增加加強弦桿能夠提高整個支承結構體系的剛度，尤其是上下弦桿均增加加強弦桿，能夠提高36.8%。對于本工程施工需要考慮成本，僅僅加強一側弦桿即可滿足規(guī)范對剛度的要求。通過比較分析應力可知，未采取加強弦桿，則貝雷梁上下弦桿拉壓應力不同，且下弦桿出現(xiàn)了局部屈服現(xiàn)象，加強弦桿的加強位置不同會導致應力不同變化，加強上弦桿會增大應力，適得其反，加強下弦桿能夠使最大應力降低11.9%，從而滿足強度要求。綜上所述，本工程采用加強弦桿加強貝雷梁的下弦桿不僅滿足規(guī)范對強度、剛度的要求，而且節(jié)約了成本，提高了工程施工效率。