貝雷片折線形拱架設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)的研究

摘 要：貝雷片折線形拱架作為一種應(yīng)用在上承式拱橋的特殊施工方案，對(duì)于其性能狀況的分析是當(dāng)今橋梁結(jié)構(gòu)研究的熱點(diǎn)。本文將著重闡述關(guān)于該類拱架方案的各技術(shù)要點(diǎn)。首先本文對(duì)懸拼拱架在現(xiàn)今的應(yīng)用情況做了一些簡介，然后分別敘述論證了貝雷片折線型拱架作為現(xiàn)澆主拱圈施工的重要受力結(jié)構(gòu)的各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。當(dāng)中運(yùn)用了Midas Civil 2010軟件來求解有限元模型。最后總結(jié)論述內(nèi)容，并給出結(jié)論。

關(guān)鍵詞：貝雷片折線形拱架；拱架結(jié)構(gòu)；現(xiàn)澆主拱圈施工

中圖分類號(hào)：U445.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-3362（2013）07-0034-03

前言

懸拼拱架施工方案是一種應(yīng)用在上承式拱橋現(xiàn)澆主拱圈的特殊支架方案，在我國現(xiàn)代交通建設(shè)事業(yè)中發(fā)揮了積極重要的作用。而貝雷片折線形懸拼拱架作為懸拼拱架方案中的常用方案，其要求是非常嚴(yán)格的，它的設(shè)計(jì)一般須由具有相關(guān)資質(zhì)的專業(yè)設(shè)計(jì)單位進(jìn)行設(shè)計(jì)，施工由熟練并具有施工經(jīng)驗(yàn)的吊裝班組組織實(shí)施，整個(gè)施工過程必須實(shí)時(shí)監(jiān)控，且根據(jù)具體情況提出施工控制對(duì)策。

懸拼拱架施工方案多應(yīng)用在地質(zhì)條件較為復(fù)雜的“V型”峽谷地貌上，該地貌在我國的重慶、貴州山區(qū)較多。這類方案有不少成功的例子，如重慶酉陽酉水特大橋（主拱圈跨徑120m）[1]、貴州思南柏楊大橋（主拱圈跨徑75m）[2]、貴州畢節(jié)吊南河大橋（主拱圈跨徑110m）[3]（見圖1）、貴州施秉江凱河大橋（主拱圈跨徑110m）[4]、貴州織金底那河大橋（主拱圈跨徑120m）[5]等，這些成功的施工典型都有著共同的特點(diǎn)，那就是規(guī)范的項(xiàng)目管理、嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的施工方案、成熟的施工組織以及各關(guān)鍵環(huán)節(jié)有序的協(xié)調(diào)和銜接。該類型方案也有過失敗的教訓(xùn)，例如2005年施工的貴州務(wù)川珍珠大橋（主拱圈跨徑120m），該橋方案失敗的根本原因主要在于渙散的項(xiàng)目管理、不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氖┕そM織設(shè)計(jì)和現(xiàn)場的違規(guī)操作，只是一個(gè)不經(jīng)意間就造成了16人死亡、3人受傷、直接經(jīng)濟(jì)損失352.1萬元的重大安全責(zé)任事故。由此可見，對(duì)于大跨徑的橋梁支架施工，是必須引起足夠重視的，任何一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的疏忽，都將可能帶來不可想象的嚴(yán)重后果。

貝雷片折線型拱架作為拱架的一種常用類型，其原理是模擬圓弧拱，但由于貝雷片為直線段，所以必須設(shè)計(jì)專用的梯形鋼架作為轉(zhuǎn)折變形段，使其整體形式變?yōu)檎劬€拱。對(duì)于拱腳處，須設(shè)計(jì)專門的鋼筋混凝土特殊拱座，并采用專用的三角鉸接頭連接靠近拱腳處的貝雷片；而對(duì)于拱頂處，須設(shè)計(jì)專門的合攏段，若合攏段在設(shè)計(jì)中利用原有的零構(gòu)件不能滿足其要求的話，必須在合攏段前設(shè)計(jì)特制的貝雷片來達(dá)到要求。另外，在某些連接的較薄弱處還需要用型鋼橫聯(lián)剪刀撐加強(qiáng)拱架整體性。總之，貝雷片折線形拱架結(jié)構(gòu)需要包含以下零構(gòu)件及結(jié)構(gòu)物：臨時(shí)拱座、拱腳三角鉸接頭、貝雷片（帶上下加強(qiáng)弦桿）、梯形鋼架、合攏段及相關(guān)構(gòu)件、貝雷片連接片、型鋼等。

圖1 貴州畢節(jié)吊南河大橋拱架施工示意圖

1 拱架的設(shè)計(jì)原則

拱架作為現(xiàn)澆主拱圈的重要承受作用力支架，其結(jié)構(gòu)的重要性不言而喻，那么一座拱架首先也是最重要的論證必須從其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及形變線型等多方面入手，同時(shí)拱架也必須兼顧其組裝功能使用和現(xiàn)澆主拱圈施工的合理性?？偟膩碚f，拱架的設(shè)計(jì)是必須通過結(jié)構(gòu)論證，且充分結(jié)合現(xiàn)場施工實(shí)際的。

2 拱架設(shè)計(jì)的具體論述

2.1 例子的介紹及拱架設(shè)計(jì)的引入

貴州畢節(jié)吊南河大橋的拱架是一個(gè)既典型又特殊的貝雷片折線形拱架，典型在于該橋拱架包含了通常拱架所使用的結(jié)構(gòu)物和零構(gòu)件，同時(shí)其跨徑超過了100m，特殊是由于該方案創(chuàng)新性地在大跨徑拱架中使用了特制貝雷片以修正合攏段。其布置圖如圖2、3、4所示。

圖2 貴州畢節(jié)吊南河大橋拱架立面布置圖

圖3 貴州畢節(jié)吊南河大橋拱架平面布置圖

圖4 貴州畢節(jié)吊南河大橋拱架橫斷面布置圖

在早期吊南河大橋拱架的設(shè)計(jì)中并沒有特制貝雷片的相關(guān)結(jié)構(gòu)，其合攏段采用了9m平直段，結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。

圖5 貴州畢節(jié)吊南河大橋拱架合攏段原設(shè)計(jì)圖

這樣的合攏段在拱架設(shè)計(jì)上有諸多缺陷。首先，拱架合攏段施工時(shí)是采用現(xiàn)場量取長度，然后下料焊接，由于其跨徑太大，這樣會(huì)給懸空焊接定位型鋼造成諸多不便；其次，合攏段的上下弦桿的長度一致，這要求拱架最后一組拼裝節(jié)段在拼裝完畢后兩銷孔的連線與水平線是垂直的，而在實(shí)際的拼裝中難以保證其連線與水平線的垂直度；最后，也是安全隱患最大的，假如這種結(jié)構(gòu)能按照設(shè)計(jì)要求施工出來，那么在拱架加載反壓拱頂?shù)墓r中會(huì)造成合攏段下?lián)?，也就是拱頂下榻，這是拱架設(shè)計(jì)中不能滿足其形變線型的重要方面，將有可能帶來非常嚴(yán)重的安全質(zhì)量問題。

另外，在當(dāng)時(shí)關(guān)于吊南河大橋拱架合攏段的修正方案中，也提出過這樣的一種修改，其結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。

圖6 貴州畢節(jié)吊南河大橋拱架合攏段設(shè)計(jì)修改方案一圖

這樣的方案實(shí)際上在內(nèi)部采用了楔形結(jié)構(gòu)改變了合攏段構(gòu)造，但是其方案的提出者仍然肯定了合攏段前的連接段，所以實(shí)際上對(duì)于拱架外部整體線型來說是沒有改變的，這樣的設(shè)計(jì)仍然可能帶來原方案中的重要安全隱患。

要使拱架結(jié)構(gòu)滿足要求，就必須打破原有設(shè)計(jì)方案。所以最后得到的拱架合攏段設(shè)計(jì)方案如圖7所示。

圖7 貴州畢節(jié)吊南河大橋拱架合攏段新設(shè)計(jì)圖

這樣的結(jié)構(gòu)形式采用了較為經(jīng)典且合理的上弦桿長下弦桿短的楔形結(jié)構(gòu)，而在中間過度連接段創(chuàng)新性地采用了特制的貝雷片來修正合攏段跨徑，這種結(jié)構(gòu)從理論和實(shí)際上來說已經(jīng)滿足了拱架結(jié)構(gòu)要求。

對(duì)于拱架來說，一般在起拱段中采用三角鉸和兩片貝雷片連接作為一段，后面的伸長段一般采用3片貝雷片作為一直線段，每段直線段之間用梯形鋼架連接。一般沒有特殊情況，是不用設(shè)計(jì)特制貝雷片的，而吊南河大橋由于原有的零構(gòu)件和現(xiàn)場條件不能滿足其拱架的線型，創(chuàng)新采用了特制貝雷片來修正合攏段，所以其最后一段直線段在3片貝雷片后還要延伸，每片貝雷片的長度為3m，特制貝雷片長度為1.76m，則最后一段直線段長度在11m以內(nèi)。通常在拱架設(shè)計(jì)中，拱腳直線段長度控制在8m以內(nèi)，正常直線段長度一般為9m，最高不要超過12m，而合攏段前的直線段如果需要使用特制貝雷片，該段長度最高不要超過11.5m較為合適。合攏段的設(shè)計(jì)尤其要注意，首先，合攏段前的直線段在拼裝后是必須有一定向上坡度的，這就保證了合攏段的結(jié)構(gòu)形式為上弦桿長下弦桿短的楔形結(jié)構(gòu)，一般上弦桿長度不要超過1.9m（對(duì)于跨徑在100m以上的拱架應(yīng)小于1.5m），下弦桿長度不要超過1.4m（對(duì)于跨徑在100m以上的拱架應(yīng)小于1m），這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能減小合攏段的彎曲正應(yīng)力及剪應(yīng)力，有助于將合攏段所承受荷載有效地傳遞到與之相鄰的直線段上，從而保證合攏段的結(jié)構(gòu)安全性。

在拱架的拱腳段中，對(duì)于三角鉸的約束方式，在之前的一些類似施工方案中采用純鉸接而不加固拱腳固結(jié)段的結(jié)構(gòu)約束。這樣的做法并不安全，因?yàn)楣澳_作為荷載傳遞的基礎(chǔ)，如何保證其安全性是至關(guān)重要的，如果拱腳沒有采取固結(jié)措施，實(shí)際上是釋放了y方向（橫向）彎矩產(chǎn)生的彎曲正應(yīng)力的約束，這樣就會(huì)使得整個(gè)拱架的撓度變大，特別是對(duì)于大跨徑拱架而言，安全系數(shù)會(huì)大打折扣。由此可知，拱架的拱腳段最好在拱架拼裝完畢扣索拆除后進(jìn)行固結(jié)，這種做法有助于荷載的向下傳遞，并減小拱架的撓度。

關(guān)于拱架的橫向連接，首先必須確定拱架橫向每組之間的間隔距離，一般每個(gè)大組內(nèi)的小組貝雷片之間間隔均為45cm，中間用45cm的貝雷片連接片按照梅花形分布進(jìn)行連接。在吊南河大橋的拱架設(shè)計(jì)中，有一些大組的拱架著重布置在對(duì)應(yīng)位置之上有腹板的位置，這樣的加強(qiáng)設(shè)計(jì)有助于加強(qiáng)其局部的強(qiáng)度，其做法是值得可取的，而大組與大組之間的距離通常有70cm（柏楊大橋）[2]、75cm（吊南河大橋）[3]和90cm（柏楊大橋）[2]。實(shí)際上，根據(jù)現(xiàn)場的施工經(jīng)驗(yàn)，一般大組之間的距離最好不要超過75cm，以保證其整體穩(wěn)定性，而小組之間的距離以45cm為宜，每個(gè)大組應(yīng)兼顧拱圈的澆筑而合理布置。

2.2 拱架結(jié)構(gòu)的驗(yàn)證

對(duì)于現(xiàn)澆普通箱式拱圈來說，驗(yàn)證拱架的結(jié)構(gòu)合理性，主要是驗(yàn)證其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性及形變線型是否達(dá)到要求，而拱架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)和單元是非常多的，那么一種強(qiáng)大可靠的有限元計(jì)算方法必不可少。驗(yàn)證強(qiáng)度即查看拱架在所有工況下每一個(gè)單元的應(yīng)力是否超過其許用應(yīng)力；剛度的驗(yàn)證即查看拱架在所有工況下每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移是否超過其許用極限；穩(wěn)定性的驗(yàn)證就是通過最不利工況下的屈曲分析，查看結(jié)構(gòu)的整體特征許用值是否達(dá)標(biāo)；而拱架形變線型的變化則是需要通過拱架在每個(gè)工況下位移的變化形狀來對(duì)拱架整體安全做出準(zhǔn)確的判斷及合理的評(píng)價(jià)。

一般來說，現(xiàn)澆普通箱式拱圈為分環(huán)分段澆筑。分環(huán)即將箱式截面分為若干部分，其目的是在充分保證拱圈施工質(zhì)量的情況下，將荷載合理施加到拱架上，以保證拱架結(jié)構(gòu)安全。目前較為理想的現(xiàn)澆拱圈是三環(huán)澆筑，即第一環(huán)為整個(gè)拱圈底板（包括下馬蹄及橫隔板）至腹板以上10cm左右，第二環(huán)為剩余腹板（包括橫隔板，不包括上馬蹄），第三環(huán)為拱圈剩余部分及墊梁，并且在每次混凝土施工完畢到下一環(huán)施工前，必須嚴(yán)格對(duì)其接觸面作重點(diǎn)鑿毛處理，以保證拱圈的施工質(zhì)量。分環(huán)澆筑中最關(guān)鍵的過程是第一環(huán)的施工，在很多以往施工案例里第一環(huán)拱圈混凝土的澆筑只進(jìn)行到底板（包括下馬蹄及橫隔板），而后續(xù)施工中由于拱架對(duì)底板的反作用力和后續(xù)荷載對(duì)底板的積累，造成底板某些部位發(fā)生開裂現(xiàn)象，這是非常嚴(yán)重的；而后也有方案提出過拱圈混凝土分為兩環(huán)施工，每環(huán)施工一半，但是在這種情況下又會(huì)造成拱架荷載和位移增大，影響拱架的安全和拱圈的施工質(zhì)量，所以經(jīng)過充分的相關(guān)論證后，得到第一環(huán)混凝土澆筑除了應(yīng)該包含底板外，還要到其上腹板10cm左右的位置，這種做法既能降低拱圈底板開裂的危險(xiǎn)，同時(shí)也不會(huì)給拱架帶來較多的荷載，并且能有效控制拱圈混凝土的澆筑施工。分段澆筑的原理是根據(jù)動(dòng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)物的沖擊變形而得到的，它首先選取一部位進(jìn)行荷載施加，當(dāng)拱架局部應(yīng)力和撓度及整體形變線型到達(dá)預(yù)定值時(shí)，再在另一部位施加荷載，以控制整體拱架的力學(xué)參數(shù)，以此類推，直到拱圈單環(huán)施工完畢?，F(xiàn)在較為普遍的分段澆筑是從拱腳開始的，當(dāng)兩岸對(duì)稱從拱腳向上澆筑至某一位置時(shí)，拱架的局部應(yīng)力和位移及整體形變線型到達(dá)一預(yù)定值，此時(shí)反壓拱頂，以抵消上一階段施加的荷載對(duì)拱架的影響，當(dāng)反壓拱頂對(duì)稱至拱頂兩邊的某一位置時(shí)，拱架的局部應(yīng)力和位移及整體形變線型又到達(dá)另一預(yù)定值，再選取一部位進(jìn)行對(duì)稱加載用于抵消到上一階段為止施加的積累荷載對(duì)拱架的影響，以此類推，直到該環(huán)混凝土施工完畢。所以要讓拱架的結(jié)構(gòu)合理性達(dá)到要求，必須確定拱圈的澆筑方案，而澆筑方案首先要確定分環(huán)，把每一環(huán)的荷載統(tǒng)計(jì)后驗(yàn)證拱架是否能夠承受，再來確定分段，從而得到最佳的拱圈現(xiàn)澆方案。

拱架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該充分運(yùn)用強(qiáng)大的有限元計(jì)算方法來完成，計(jì)算過程需要依托權(quán)威的有限元計(jì)算軟件來實(shí)現(xiàn)，這里主要應(yīng)用了Midas Civil 2010。在拱架有限元前處理階段中，首先須保證整體建筑模型充分符合拱架設(shè)計(jì)圖所述，同時(shí)對(duì)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)單元的邊界條件施加合理的約束，最后劃分施工階段，并定義每一階段的施工荷載。在分析過程中，對(duì)于拱架承受的荷載一般分析到開口箱澆筑完畢，即第二環(huán)施工完畢，但在第二環(huán)施工過程中并不考慮第一環(huán)已施工的結(jié)構(gòu)物對(duì)荷載的承受能力，這樣的分析是偏于保守的。當(dāng)然，如果在這樣的分析中拱架能夠滿足在所有工況下的結(jié)構(gòu)合理性，那么就可以判定該拱架在實(shí)際施工過程中是可以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的。這里需要注意的是，由于拱架每段線型與其相對(duì)應(yīng)位置的拱圈重量不一樣，所以通常來說需要對(duì)對(duì)應(yīng)位置的模板、鋼筋和混凝土荷載加權(quán)平均處理后施加到相應(yīng)拱架位置，盡量模擬拱架在實(shí)際受壓過程中所承受的荷載。以吊南河大橋貝雷片折線拱架為例，其總體建模如圖8所示。

圖8 吊南河大橋拱架有限元建模圖

在后處理過程中，以我們所需要驗(yàn)證的結(jié)構(gòu)參數(shù)為依據(jù)，充分論證所有工況下的拱架力學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而得出其結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)。在此過程中特別需要注意的是在反壓拱頂工況下的位移形變圖的線型變化情況，如吊南河大橋拱架在第一環(huán)反壓拱頂工況下的組合位移圖如圖9所示。

圖9 吊南河大橋拱架第一環(huán)反壓拱頂工況下的組合位移示意圖

這是通過充分驗(yàn)證了該拱架在分環(huán)分段合理性的情況下得出的較為理想的反壓拱頂形變線型圖，從圖上可以看出，拱架在此工況下能夠保證其不塌陷，并且位移變化最大的拱頂處也仍然保持向上拱起，這種形變線型是能夠滿足經(jīng)驗(yàn)要求的。

2.3 拱架相關(guān)的施工做法

在拱架的支架預(yù)壓中，預(yù)壓荷載一般只選取第一環(huán)施工包括之前的所有荷載，鋼筋和混凝土荷載大小通常為實(shí)際大小的120%，其余不變。加載過程一般分兩次，第1次為一次性加載100%荷載，充分模擬拱圈施工過程，第2次加載完剩下的20%荷載，以校驗(yàn)拱架承受力的承載范圍，并且也能為實(shí)際施工中的不均勻加載提供了可靠保障。需要注意預(yù)壓的每一次加載應(yīng)根據(jù)拱架與拱圈分段對(duì)應(yīng)情況對(duì)荷載進(jìn)行加權(quán)平均。拱架通過預(yù)壓能夠抵消其整體間隙較大的非彈性變形，同時(shí)也能有效得到拱架的彈性變形，使拱圈調(diào)平支架在施工過程中施加比有限元計(jì)算更為準(zhǔn)確的預(yù)拱度，保證拱圈的施工質(zhì)量。

浪風(fēng)索是控制拱架橫向穩(wěn)定并在拱架拼裝過程中調(diào)整軸線所用的，若浪風(fēng)索使用過少，則不能控制拱架橫向穩(wěn)定，且難以保證拱架軸線偏移；但浪風(fēng)索使用過多，首先是浪費(fèi)材料，再者加大了拱架豎直方向上的局部荷載，對(duì)拱架結(jié)構(gòu)有一定影響。那么如何確定浪風(fēng)的數(shù)量及布置位置就非常重要了，在吊南河大橋的拱架中，前三段拱架每一個(gè)9m段掛浪風(fēng)索，后三段每一個(gè)4.5m段掛浪風(fēng)索，這樣的做法是通過驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)的較為合理的布置方法，該布置既不會(huì)對(duì)拱架結(jié)構(gòu)造成太多不利影響，同時(shí)充分保證了拱架橫向穩(wěn)定和軸線的可控性。同時(shí)由于吊南河大橋拱架左右幅同時(shí)施工，所以在施工中兩幅拱架內(nèi)側(cè)的浪風(fēng)設(shè)置創(chuàng)新性地采用了在左右幅拱架之間每一個(gè)3m段鋼管支架鎖死，鋼絲繩收緊的做法。這種做法在實(shí)際施工中起到了代替浪風(fēng)索的作用，收到了較好的效果，但是其論證仍需要充分的理論支持。

在合攏段的施工過程中，一般要求合攏段合攏焊接工作在較低溫度的狀態(tài)下進(jìn)行，這是通過在拱架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)比溫度變化情況發(fā)現(xiàn)的，如圖10、圖11所示。

圖10 吊南河大橋拱架第二環(huán)最后一個(gè)工況溫度

升高13℃的組合應(yīng)力示意圖

圖11 吊南河大橋拱架第二環(huán)最后一個(gè)工況溫度

降低11℃的組合應(yīng)力示意圖

從以圖10、圖11中可以看到，若拱架選取低溫狀態(tài)進(jìn)行合攏之后溫度升高13℃的情況下，其組合應(yīng)力大小要比后者降低11℃的情況低11.261MPa。由此可見，合攏段合攏過程中的環(huán)境控制溫度也是影響拱架質(zhì)量好壞的一個(gè)重要因素。

3 總結(jié)

通過以上論述，可以看出，貝雷片折線形拱架的設(shè)計(jì)是一個(gè)集拱架本身結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場合理的拱圈施工方案為一體的綜合設(shè)計(jì)，它不僅需要力學(xué)結(jié)構(gòu)的常規(guī)性論證，同時(shí)也應(yīng)該結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，得到較為合理的整體方案。由此得出了以下一些有意義的結(jié)論：

拱架合攏段不能采用平直的結(jié)構(gòu)，必須采用上弦桿長、下弦桿段的楔形結(jié)構(gòu)；拱架橫向布置應(yīng)根據(jù)拱圈橫斷面作局部加強(qiáng)處理；在拱架有限元結(jié)構(gòu)計(jì)算驗(yàn)證中，必須保證拱架在反壓拱頂工況中不能塌陷；根據(jù)拱架設(shè)計(jì)和現(xiàn)場施工情況合理制定拱架荷載預(yù)壓和加載順序方案；若采用左右幅拱架同時(shí)施工，在沒有更合理的內(nèi)側(cè)浪風(fēng)情況下，可以采用在左右幅拱架之間鋼管支架鎖死，鋼絲繩收緊的做法；拱架應(yīng)在較低溫度的狀態(tài)下進(jìn)行合攏工作。

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作者簡介：尹超（1987-），男，湖南大學(xué)工程力學(xué)專業(yè)，大學(xué)本科學(xué)歷，工學(xué)學(xué)士學(xué)位，助理工程師，曾研究大跨徑橋梁施工支架結(jié)構(gòu)，在貴州省公路工程集團(tuán)有限公司著有《貴州思南柏楊大橋纜索吊裝及拱架計(jì)算書》、《貴州畢節(jié)吊南河大橋懸拼拱架專項(xiàng)方案的重大修正》等技術(shù)方案，現(xiàn)工作于黔南州人民防空（交通戰(zhàn)備）辦公室。