文 / 昆明市公路工程質(zhì)量檢測中心有限公司 田亞洪 趙其才

工程概況

某水利管橋?yàn)橹骺鐑艨鐬?08m的上承式鋼筋混凝土拱橋，凈矢高為21.60米，主拱軸線為懸鏈線拱橋，拱軸系數(shù)為1.832。主拱圈為單箱雙室的鋼筋混凝土箱型拱，拱箱寬6.0米，高2.2米，拱圈采用C50混凝土。

鋼拱架采用加強(qiáng)貝雷桁片拼裝組成，順橋向桁片以折線形式連接模擬主拱圈的曲線，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長度12m，拱架寬度6.6m，沿弧向共用36片貝雷桁架片，橫向分為5組，每組2片以支撐架連接，共計(jì)360片。從拱腳處開始，4片貝雷桁片沿縱向拼裝12m標(biāo)準(zhǔn)段，每段貝雷桁片之間通過梯形架連接，梯形架共80片，并在跨中通過梯形架進(jìn)行合攏，橫橋向桁片間分別以標(biāo)準(zhǔn)花架支撐架連結(jié)成整體，并通過型鋼剪刀撐加強(qiáng)，為確保拱架的穩(wěn)定性，在貝雷拱架兩側(cè)各設(shè)置6道橫向浪風(fēng)索；鋼筋混凝土拱圈采用貝雷拱架現(xiàn)澆工藝施工。鋼拱架安裝完成現(xiàn)場圖片如圖1所示。

圖1 鋼拱架安裝完成現(xiàn)場照

鋼拱架預(yù)壓方案

鋼拱架在預(yù)壓加載過程中的最大重量以第一環(huán)底板混凝土澆筑時最大荷載工況來控制。根據(jù)混凝土澆筑時第一環(huán)底板對稱澆筑0.7m高拱肋，混凝土重量為775t，混凝土超方按5%考慮。預(yù)壓最大加載重量按其1.2倍來控制，即實(shí)際加載最大重量為930t。預(yù)壓荷載組成：水箱自重共計(jì)約45t，其中竹膠板和方木重約20t，鋼管支架和鋼板重約25t，共計(jì)儲水量為885t，實(shí)際可儲水量為891t，可滿足荷載預(yù)壓要求。

圖2 鋼拱架水箱預(yù)壓加載照

拱架預(yù)壓加載按分級原則進(jìn)行預(yù)壓加載，加載分級分別按60%、100%、120%進(jìn)行加載，卸載按兩級進(jìn)行反加載循序卸載：50%、0%。

鋼拱架預(yù)壓監(jiān)測

拱架安裝前，在其側(cè)面（軸線平行線）用利用棱鏡在拱跨L/8、L/4、3L/8、L/2、5L/8、3L/4、7L/8等控制截面附近的陰陽接頭處布置觀測點(diǎn)。將Leica TM30全站儀架設(shè)在不受施工干擾的位置，采用獨(dú)立坐標(biāo)系設(shè)站，并跟蹤監(jiān)測各控制截面測點(diǎn)的拱軸線和標(biāo)高變化，確保施工過程安全。

圖3 鋼拱架預(yù)壓試驗(yàn)實(shí)測控制截面彈性變形與計(jì)算變形對比圖（單位:mm）

圖4 鋼拱架預(yù)壓試驗(yàn)實(shí)測控制截面橫橋向軸線偏位柱狀圖

鋼拱架預(yù)壓測試結(jié)果

通過線形監(jiān)測數(shù)據(jù)，鋼拱架預(yù)壓試驗(yàn)過程中，實(shí)測鋼拱架彈性變形與計(jì)算變形基本一致，實(shí)測鋼拱架拱頂最大彈性變形為-39.1mm，變形趨勢基本兩岸基本對稱，實(shí)測結(jié)果表明鋼拱架剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

通過拱架軸線偏位柱狀圖可以看出，預(yù)壓試驗(yàn)過程中拱架整體呈S形扭曲，扭曲區(qū)域主要分布在L/8～7L/8拱架節(jié)段范圍內(nèi)，且拱架軸線最大偏位達(dá)54.1mm，已超出規(guī)范限值，同時卸載后，軸線偏位方面進(jìn)口岸存在13mm、出口岸存在34.8mm未恢復(fù)偏位。軸線偏位過大且在預(yù)壓過程中持續(xù)增長，表明本橋鋼拱架設(shè)計(jì)上存在橫向穩(wěn)定性系數(shù)較小，橫向剛度較弱等不足之處。

圖3為鋼拱架預(yù)壓試驗(yàn)實(shí)測控制截面彈性變形與計(jì)算變形對比圖，圖4為鋼拱架預(yù)壓試驗(yàn)實(shí)測控制截面橫橋向軸線偏位柱狀圖。

鋼拱架穩(wěn)定性加強(qiáng)措施

鑒于拱架橫向剛度較弱，施工單位在預(yù)壓試驗(yàn)完成后，對拱架進(jìn)行了系統(tǒng)檢查及橫向穩(wěn)定加強(qiáng)工作，同時在每組貝雷架陰陽街頭下弦處增設(shè)了橫向通長槽鋼。主要考慮如下：

不考慮風(fēng)纜參與受力，裸拱結(jié)構(gòu)在第一次澆筑最不利荷載狀態(tài)下，增設(shè)通長槽鋼對鋼拱架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)穩(wěn)定性貢獻(xiàn)的影響；

拱肋上下游側(cè)各增加3道風(fēng)纜，分別考慮各風(fēng)纜張力3噸、5噸、8噸，在第一次澆筑最不利荷載狀態(tài)下，對鋼拱架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)穩(wěn)定性貢獻(xiàn)的影響。

鋼拱架穩(wěn)定性計(jì)算建模

鋼拱架結(jié)構(gòu)計(jì)算采用空間有限元軟件MIDAS CIVIL軟件進(jìn)行進(jìn)行建模計(jì)算。計(jì)算簡圖如圖5所示。其中，鋼材的彈模采用2.1×105Mpa，鋼材的線膨脹系數(shù)采用1.2×10-5。拱圈混凝土的彈模取3.45×104Mpa，線膨脹系數(shù)采用1.0×10-5，拱圈混凝土容重按26kN/m3計(jì)。

鋼拱架穩(wěn)定性加強(qiáng)后計(jì)算結(jié)果

不考慮風(fēng)纜參與受力，裸拱結(jié)構(gòu)在第一次澆筑最不利荷載狀態(tài)下，采用增設(shè)通長槽鋼加強(qiáng)后，鋼拱架穩(wěn)定性系數(shù)為1.994，未加固前穩(wěn)定性系數(shù)為1.945，僅增加0.049，表明橫向支撐的增加設(shè)置對鋼拱架橫向穩(wěn)定性系數(shù)貢獻(xiàn)效果不明顯。

圖5 鋼拱架預(yù)壓試驗(yàn)實(shí)測控制截面橫橋向軸線偏位柱狀圖

圖6 鋼拱架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算云圖

拱架兩側(cè)各增設(shè)3道風(fēng)纜，分別考慮各風(fēng)纜張力3噸、5噸、8噸，在第一次澆筑最不利荷載狀態(tài)下，對鋼拱架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)穩(wěn)定性系數(shù)貢獻(xiàn)的影響計(jì)算結(jié)果為：風(fēng)纜張拉3噸力作用下鋼拱架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)穩(wěn)定性系數(shù)為3.343；風(fēng)纜張拉5噸力作用下鋼拱架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)穩(wěn)定性系數(shù)為3.336；風(fēng)纜張拉8 噸力作用下鋼拱架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)穩(wěn)定性系數(shù)為3.324；設(shè)置風(fēng)纜比無風(fēng)纜狀態(tài)下穩(wěn)定性系數(shù)增加1.349，表明風(fēng)纜的設(shè)置對鋼架架穩(wěn)定性系數(shù)貢獻(xiàn)較為明顯，同時建議風(fēng)纜張拉力宜控制在 3～5 噸左右。

結(jié)語

通過對拱架的橫向穩(wěn)定加強(qiáng)，主拱第一環(huán)混凝澆筑過程中實(shí)測鋼拱架最大撓度為-34.1mm，最大撓度位于拱頂部位；實(shí)測鋼拱架橫向偏位為-6.6～3.6mm之間，表明澆筑階段鋼拱架變形始終處于規(guī)范容許范圍內(nèi)，且橫向偏位控制達(dá)到了預(yù)期效果。

由于本橋?qū)捒绫容^小，預(yù)壓后通過加設(shè)橫向通長槽鋼，但計(jì)算發(fā)現(xiàn)此方法對橫向穩(wěn)定性加強(qiáng)貢獻(xiàn)較小，表明拱架設(shè)計(jì)時就存在橫向剛度較弱的特點(diǎn)，因此后期同類工程拱架設(shè)計(jì)時貝雷架可適當(dāng)在橫向增加，避免寬跨比較小對橫向剛度的削弱。

本橋處于峽谷地帶，按施工規(guī)范規(guī)定的風(fēng)纜角度安裝風(fēng)纜較為困難，預(yù)壓后考慮橫向穩(wěn)定性效果，在鋼拱架兩側(cè)增設(shè)三道風(fēng)纜，即使設(shè)置角度不理想，但通過計(jì)算及澆筑施工監(jiān)測結(jié)果可以看出風(fēng)纜的設(shè)置對橫向穩(wěn)定性的加強(qiáng)效果較為明顯。

大跨拱橋鋼拱架設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮寬跨比及橫向剛度，為支架預(yù)壓及澆筑施工提供安全保障；本工程鋼拱架預(yù)壓試驗(yàn)及橫向穩(wěn)定性加強(qiáng)措施為同類工程拱架的設(shè)計(jì)與施工提供了重要思路，即鋼拱架橫向穩(wěn)定性對橋梁施工安全也起著決定作用，需引起重視。