梅蓋偉，李 強(qiáng)，張 肄，侯國虎

(中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039)

0 前 言

拱橋是一種基本的橋梁形式，具有跨越能力較大、造型美觀等優(yōu)點(diǎn)，常用于城市及風(fēng)景區(qū)的橋梁建筑。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，拱橋在我國的公路橋梁中約占7%左右[1]。在拱橋的實(shí)踐過程中，工程師和學(xué)者也開展了一系列相關(guān)的理論研究，包括設(shè)計(jì)計(jì)算理論、拱軸線優(yōu)化、荷載橫向分布、大跨徑拱橋施工方法等。就拱橋的施工方法而言，羅文秀等[2]針對現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱形拱的施工提出了平面轉(zhuǎn)體、懸臂澆筑及鋼拱架現(xiàn)澆施工三種施工方案，并進(jìn)行了比選研究。吳月星等[3]探討了大跨懸澆鋼筋混凝土拱橋主拱圈的一種施工方案—主拱圈拱腳1#節(jié)段采用支架法施工，其余節(jié)段采用“組合法”施工。林春姣等[4]則通過對兩拱腳對稱澆筑第1環(huán)混凝土在勁性拱骨架上產(chǎn)生的瞬時(shí)應(yīng)力變化過程的分析，論證了4個(gè)工作面的主拱圈混凝土澆筑方法的可行性。王藐民等[5]分析了橫撐施工程序?qū)判怨羌茕摻罨炷凉皹虻挠绊?，表明橫撐的澆筑順序只影響在橫撐澆筑過程中拱肋的拉應(yīng)力且最大拉應(yīng)力會(huì)趨近于某一定值的結(jié)論。此外，也有學(xué)者針對拱橋施工中施工誤差、施工措施等對結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了研究。吳平琴等[6]分析了拱橋施工過程中扣塔偏位對各節(jié)段高程的影響，表明扣塔偏位對拱腳處節(jié)段高程影響較小，而對于靠近拱頂節(jié)段的高程影響較大。韓洪舉等[7]通過有限元模型對上承式鋼筋混凝土箱形拱橋施工階段最大單懸臂狀態(tài)進(jìn)行了探討了扣塔剛度、扣錨索索力等參數(shù)對結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響分析。溫度荷載、施工期間臨時(shí)荷載等因素也會(huì)對拱橋結(jié)構(gòu)一定的影響[8-9]?？傊?，拱橋的施工方法總會(huì)受到所處地理位置及自然環(huán)境等條件的制約，而不同的施工方法則會(huì)對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出一定的要求。

本文闡述了單跨156 m鋼筋混凝土箱型拱主拱圈纜索吊裝施工方法，明確了主拱圈對于拱上建筑施工的關(guān)鍵性。在此基礎(chǔ)上，通過對大跨徑鋼筋混凝土拱橋主拱圈在拱上建筑施工過程中的受力狀態(tài)、撓度變化以及橋梁縱坡對主拱圈內(nèi)力分布影響分析，希望能夠?qū)︻愃乒皹虻脑O(shè)計(jì)和施工提供一定的借鑒和參考。

1 橋梁概況及施工方案

主橋采用156 m上承式鋼筋混凝土懸鏈線箱型拱橋，橋梁全長170 m。主拱圈矢跨比為1∶5.571，拱軸系數(shù)m=1.901 5，車行道采用預(yù)制空心板，行車道板與主拱通過立柱相連接。主拱圈為等截面鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)。每幅采用7片預(yù)制箱拱，每片拱箱又分11段預(yù)制，采用無支架纜索吊。主橋共計(jì)三聯(lián)，分別在交界墩和5#立柱處設(shè)伸縮縫。拱座基礎(chǔ)采用明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)。橋梁布置見圖1。

圖1 橋型布置圖(單位:cm)

鋼筋混凝土拱橋的施工方法分為支架施工和無支架施工兩類。無支架施工具體可分為纜索吊裝、懸臂澆筑、轉(zhuǎn)體施工及勁性骨架施工等方法。事實(shí)上，絕大多數(shù)拱橋的施工都采用無支架施工方法，支架施工相對比較少見。對本工程而言，橋梁跨越河流且跨徑較大，對于采用拱架施工方法而言難度較大、造價(jià)較高，因此采用無支架的纜索吊裝施工，大體上可分為以下步驟：①纜吊系統(tǒng)索塔基礎(chǔ)、地錨施工；②交界墩、東引岸橋臺與橋墩基礎(chǔ)施工及兩岸拱橋拱座施工；③安裝主纜索塔及相應(yīng)吊裝設(shè)備,安裝扣塔并做好吊裝拱肋前的準(zhǔn)備;設(shè)置纜風(fēng)索地錨,準(zhǔn)備纜風(fēng)索及相應(yīng)設(shè)備；纜索系統(tǒng)安裝完成后，進(jìn)行試吊；④預(yù)制拱肋及主梁；⑤按照先中間后兩邊的順序吊裝拱肋的拱腳節(jié)段,并安裝扣索和拱架側(cè)纜風(fēng)繩。按順序吊裝拱肋合龍段，完成主拱合龍；⑥利用纜吊系統(tǒng)對稱施工拱上立柱；按設(shè)計(jì)加載順序完成主梁安裝；⑦拆除纜吊系統(tǒng)。

結(jié)合本橋所處的地理?xiàng)l件，吊裝系統(tǒng)采用在河岸兩側(cè)安裝主纜索塔及相應(yīng)吊裝設(shè)備。主拱圈每片拱箱劃分為11個(gè)節(jié)段進(jìn)行預(yù)制，按照先中間后兩邊的順序吊裝拱肋的拱腳節(jié)段，然后按順序吊裝拱肋合龍段，直至完成主拱合龍。所有的施工過程均為左右兩側(cè)對稱實(shí)施。針對合龍段的施工還需要控制在每天氣溫變化不大的時(shí)候進(jìn)行，有利于消除溫度效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響[10]。

2 主拱圈內(nèi)力分布狀態(tài)

拱橋施工中主拱圈是最關(guān)鍵的施工過程，拱上建筑的施工均以主拱圈的施工為基礎(chǔ)。因此有必要分析拱上建筑的施工過程中主拱圈的內(nèi)力分布狀況。

通過有限元軟件對結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析計(jì)算，圖2給出了部分施工階段拱圈的彎矩和剪力圖。從圖2中可以看出，在拱圈合龍階段，拱圈受力處于嚴(yán)格的對稱狀態(tài)。彎矩呈現(xiàn)出四次“反彎”，反彎點(diǎn)出現(xiàn)在靠近拱腳處、1/3和2/3拱圈處，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在1/4拱圈處，最大正彎矩出現(xiàn)在拱頂處；剪力則表現(xiàn)為明顯的反對稱分布，最大值出現(xiàn)在兩側(cè)拱腳處，拱頂處基本無剪力產(chǎn)生，受力狀態(tài)沿1/4拱圈和拱頂呈現(xiàn)三次“反彎”。隨著拱上立柱的逐步施工，在立柱4階段，拱圈內(nèi)力分布狀態(tài)繼續(xù)發(fā)展，最大負(fù)彎矩轉(zhuǎn)移至立柱4與主拱圈交接處，立柱與拱圈交接處剪力有所增大，但最大剪力仍出現(xiàn)在立柱1與拱圈交接處。而在成橋階段，對主拱圈彎矩而言，拱腳至立柱4處，為負(fù)彎矩，呈“波浪形”；在左側(cè)立柱4至右側(cè)立柱4區(qū)間，為正彎矩，呈“鋸齒形”。最大正彎矩出現(xiàn)在左側(cè)立柱4與拱圈交接處，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在拱腳處。剪力的發(fā)展趨勢整體表現(xiàn)于連續(xù)梁的受力狀態(tài)。從圖2中還可以看出，左側(cè)拱圈的內(nèi)力值較右側(cè)更大一些，這一點(diǎn)在腹拱及橋面系施工之后更為明顯。

(a)彎矩(kN·m)—合龍

圖3是拱圈自合龍至成橋階段拱腳處的內(nèi)力變化情況。從圖3中可以看出，隨著拱上立柱的逐步施工，拱腳剪力表現(xiàn)為先增大后減小的發(fā)展趨勢。拱腳處最大剪力出現(xiàn)在立柱2施工完畢之后，約為合龍階段剪力的1.6倍，約為立柱1施工完畢階段剪力的1.45倍。這說明立柱2施工后整個(gè)結(jié)構(gòu)剪力會(huì)出現(xiàn)較大幅度的增長，這在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工階段均應(yīng)加以注意。隨著立柱3的施工，拱腳剪力逐漸減小，減小的速率也較為穩(wěn)定，直至完成腹拱及橋面板的施工。結(jié)構(gòu)成橋階段的拱腳剪力較拱圈合龍階段更小一些，約為合龍階段的1/2。彎矩的變化趨勢與剪力大致相似。在初始合龍階段，拱腳處受力狀態(tài)為拱內(nèi)側(cè)受拉，外側(cè)受壓。隨著立柱1的施工，拱處受力改變?yōu)橥鈧?cè)受拉，內(nèi)側(cè)受壓，并且隨著立柱的進(jìn)一步施工，拱腳處彎矩逐漸減小。腹拱施工之后，由于拱上荷載增加，導(dǎo)致拱腳處彎矩增大，但隨著橋面板的施工，拱圈內(nèi)力得到了進(jìn)一步重分布，拱腳處內(nèi)力反而有減小的趨勢。

(a)剪力

總之，拱圈在拱上立柱施工的過程中，隨著拱上立柱的逐步施工，主拱圈在豎向集中荷載作用下，拱圈和立柱重力在一定程度上以壓力的形式傳遞。拱上立柱施工完畢后，拱圈內(nèi)力被立柱重新劃分，形成類似于“連續(xù)梁”的受力結(jié)構(gòu)。

3 主拱圈應(yīng)力及撓度變化

圖4是拱上建筑施工過程中拱頂處應(yīng)力的變化情況。從圖4中可以看出，拱圈內(nèi)部最大應(yīng)力均表現(xiàn)為壓應(yīng)力。拱頂處應(yīng)力變化表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢。拱圈合龍時(shí)，拱頂處應(yīng)力為6.85 MPa；在立柱2施工之后，拱頂處應(yīng)力達(dá)到最小值，約為5.5 MPa；腹拱施工之后，拱頂處的應(yīng)力達(dá)到與合龍階段應(yīng)力相等，并隨著進(jìn)一步施工應(yīng)力繼續(xù)增大。在橋面系施工后，拱頂應(yīng)力達(dá)到8.92 MPa。這說明，在拱上建筑施工的過程中，要加強(qiáng)合龍階段和橋面系施工階段的應(yīng)力驗(yàn)算，確保施工階段結(jié)構(gòu)的安全及穩(wěn)定。對拱頂應(yīng)力進(jìn)行擬合分析可知，相關(guān)系數(shù)為0.924 9，這說明拱頂應(yīng)力的變化規(guī)律是一種類似于二次拋物線的變化規(guī)律。

圖4 拱上建筑施工過程中拱頂應(yīng)力變化

圖5是拱上建筑施工過程中拱頂處撓度的變化情況。從圖5中可以看出，自拱圈合龍至橋面系施工完成，拱頂撓度表現(xiàn)為先減小后又逐漸增大的趨勢。在拱圈合龍之后，拱頂處撓度隨著拱上立柱的施工逐漸減小，在立柱3施工后達(dá)到最小值58 mm。此后，隨著立柱4、立柱5、腹拱及橋面系的施工，拱頂撓度又逐漸增大，橋面系施工完成后，拱頂撓度達(dá)到最大，為106 mm。這說明，在立柱3施工階段拱上集中荷載對結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的影響達(dá)到最大。換言之，在主拱圈跨徑1/3以外區(qū)域施加荷載有利于減小拱頂?shù)膿隙戎?，而在主拱?/3～2/3區(qū)域施加荷載，則會(huì)直接影響拱頂撓度，表現(xiàn)為荷載越大，撓度越大。拱頂撓度的變化規(guī)律也是一種類似于二次拋物線的發(fā)展規(guī)律。立柱3施工階段對主拱圈應(yīng)力和變形而言是相對比較關(guān)鍵的一個(gè)階段。

4 總 結(jié)

在上承式拱橋的施工中，主拱圈的施工過程是十分關(guān)鍵的。所有拱上建筑的實(shí)施都以主拱圈的施工完畢為基礎(chǔ)，拱上建筑的實(shí)施也會(huì)不可避免地對主拱圈產(chǎn)生影響。通過對拱圈在拱上建筑實(shí)施過程中的受力狀態(tài)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。

1)拱圈合龍后，彎矩呈現(xiàn)出四次“反彎”，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在1/4拱圈處，最大正彎矩出現(xiàn)在拱頂處；剪力表現(xiàn)為三次“反彎”，最大值出現(xiàn)在兩側(cè)拱腳處。隨著拱上立柱的逐步施工，主拱圈的受力被立柱劃分，拱腳處內(nèi)力方向發(fā)生改變，內(nèi)力最大值也發(fā)生移動(dòng)。到成橋階段，對主拱圈彎矩而言，拱腳至立柱4處，為負(fù)彎矩，呈“波浪形”；在左側(cè)立柱4至右側(cè)立柱4區(qū)間，為正彎矩，呈“鋸齒形”。剪力分布表現(xiàn)于類似于連續(xù)梁的受力狀態(tài)。

2)在拱上建筑實(shí)施的過程中，拱圈內(nèi)部最大應(yīng)力的變化整體表現(xiàn)為減小的趨勢，拱頂處應(yīng)力變化表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢，最大應(yīng)力出現(xiàn)在立柱2施工之后。拱圈最大應(yīng)力除拱圈合龍時(shí)出現(xiàn)在拱頂處，其余階段均出現(xiàn)在拱腳處。在拱上建筑實(shí)施工程中，拱頂撓度的變化為先減小后增大，立柱3實(shí)施之后撓度最小，橋面系實(shí)施后的拱頂撓度較合龍階段更大，說明拱上建筑的實(shí)施對拱頂撓度的影響僅限于一定范圍。

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