拱架現(xiàn)澆拱圈混凝土拱橋的合理施工程序與方法

張玉平　彭畢輝　李傳習　董創(chuàng)文

摘要：針對目前確定拱架現(xiàn)澆拱圈混凝土澆筑順序主要考慮拱架變形而未考慮結(jié)構(gòu)應力的現(xiàn)狀，以貴州甘河溝大橋主橋為工程背景，結(jié)合其原施工方案初步確定了分環(huán)分段位置，利用MIDAS軟件對拱架現(xiàn)澆拱圈混凝土的施工全過程進行仿真分析，綜合考慮拱架變形和結(jié)構(gòu)應力，通過多方案計算對比確定了合理的最優(yōu)澆筑方案：第1環(huán)混凝土澆筑順序為先拱腳段再拱頂段最后中間段；第2環(huán)混凝土澆筑順序為先拱頂段再拱腳段最后中間段；第3環(huán)混凝土拱項、拱腳和中間段均再細分成2部分，澆筑順序為先依次施工拱頂段、中間段和拱腳段第1部分，而后再依次施工拱頂段、拱腳段和中間段第2部分；拱上建筑澆筑順序為從拱項向拱腳依次施工。拱架變形和結(jié)構(gòu)應力的實測值與理論值總體上吻合較好，表明該程序與方法合理可靠。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；箱型拱橋；拱架現(xiàn)澆；施工程序

中圖分類號：U448.22

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764（2016）06-0083-08

混凝土拱橋結(jié)構(gòu)因性能優(yōu)越、跨越能力大、耐久性好且外形優(yōu)美而倍受工程界青睞。拱架法是混凝土拱橋和石拱橋常用的一種施工方法。拱架法施工拱橋的一個難點在于如何合理地劃分拱圈混凝土的澆筑長度和澆筑順序，以控制拱架發(fā)生過大變形，防止拱圈混凝土因拱架變形過大而開裂，并減少前期拱圈混凝土所受拉應力。為了保證拱圈混凝土和拱上建筑施工全過程中拱架與拱圈的變形和受力均滿足要求，必須先確定合理的澆筑順序和澆筑長度。

中國多座混凝土拱橋采用了分環(huán)分段的拱架施工方法，如：打黑渡怒江大橋、丹河大橋、官地永久交通大橋等。技術(shù)人員對拱架現(xiàn)澆混凝土拱圈的分環(huán)分段澆筑程序與方法進行了相關(guān)研究，蔣云峰等和劉鵬等研究了混凝土現(xiàn)澆時拱架與混凝土的聯(lián)合作用，周倩等研究了混凝土拱圈的澆筑長度。但以上研究主要以拱架變形為控制要素，未考慮主拱圈澆筑過程中混凝土應力變化所帶來的影響。李傳習等通過不同施工方案的有限元數(shù)值計算與對比研究獲得了低扣塔架設(shè)鋼管混凝土拱橋的合理施工程序與方法。其他國家著重于進行拱橋新工藝及新型組合結(jié)構(gòu)的探索，較少研究拱架現(xiàn)澆拱橋的施。筆者結(jié)合甘河溝大橋?qū)嶋H工程，利用Midas/Civil軟件對主拱圈縱向澆筑順序展開研究，對比分析拱圈分環(huán)分段施工中每一環(huán)拱圈不同的澆筑順序?qū)凹茏冃渭跋绕谛纬晒叭λa(chǎn)生的影響，得出每一環(huán)主拱圈澆筑的最優(yōu)順序。

1.工程概況

甘河溝大橋位于貴州省畢節(jié)市雙山新區(qū)梨新大道上，跨越甘河溝河谷。甘河溝大橋全長320m，橋跨布置為3×30m箱梁+125m箱型拱橋+3×30m箱梁，其中，主橋為混凝土箱型拱橋；矢跨比f_o/L_o=1/5，拱軸系數(shù)m=1.756；大橋分為左右兩幅，每幅橋面寬23.0m，設(shè)有1.6%縱坡和1.5%橫坡。主拱圈拱箱為單箱4室，截面高2.2m、寬15.6m。甘河溝大橋采用懸拼鋼拱架現(xiàn)澆混凝土的施工方法。甘河溝大橋主橋立面總體布置如圖1所示，主拱圈拱箱和鋼拱架橫向布置如圖2所示。

2.分環(huán)分段方案

甘河溝大橋拱圈混凝土澆筑過程按豎向分環(huán)、縱向分段的方式進行，并遵循縱向和橫向?qū)ΨQ、均衡的原則進行施工。按照設(shè)計要求，主拱圈豎向共分為3環(huán)，第1環(huán)為底板和下馬蹄部分；第2環(huán)為腹板和橫隔板部分；第3環(huán)為頂板和上馬蹄部分，分環(huán)位置如圖3所示。當?shù)?環(huán)混凝土達到90%設(shè)計強度后，方可進行第2環(huán)混凝土澆筑，第2環(huán)混凝土達到90%后方可進行第3環(huán)混凝土澆筑。主拱圈縱向分為5段，分段位置分別位于排架2、4、7、9，分段位置如圖4所示。

鋼拱架拱頂截面變形顯著，以鋼拱架拱頂截面變形為分析對象，通過分析拱架跨中截面的撓度影響線，可以確定混凝土澆筑過程中拱頂撓度的變化。從圖5中的拱頂撓度影響線可以看出，因拱腳區(qū)段為正撓度區(qū)域，拱圈混凝土由拱腳向拱頂澆筑時，澆筑該區(qū)域混凝土將使拱架拱頂向上變形。隨著混凝土繼續(xù)澆筑，混凝土進入負撓度區(qū)域，拱架拱頂開始向下變形。在混凝土澆筑過程中應使拱頂豎向位置變化和結(jié)構(gòu)應力盡可能小，為此，每一環(huán)拱圈混凝土初步擬定了4種可能的澆筑方案，如表1所示，表中字母所表示區(qū)段見圖4。

圖5中，x₁、x₂分別為沿跨徑方向拱圈混凝土澆筑分段點位置；x_o為拱頂撓度影響線零點位置；撓度向上為正撓度。

3.有限元計算模型

采用Midas/Civil軟件對甘河溝大橋進行有限元模擬計算，拱圈和拱架的結(jié)構(gòu)離散如圖6所示，共有9246個單元，9847個節(jié)點，3645個彈性連接。拱架和拱圈均采用梁單元模擬，拱圈底板和拱架之間采用彈性連接中的單向受壓單元連接，并釋放單元兩端彎矩，通過設(shè)定受壓剛度值來模擬模板受力；底板、腹板、頂板之間采用彈性連接中的剛性選項進行模擬；用釋放單元兩端彎矩的方式模擬拱架下弦的鉸接方式；按兩鉸拱對鋼拱架的邊界條件進行約束，按無鉸拱對底板、腹板和頂板進行約束。按照上述4種縱向澆筑方案（見表1）分別建立考慮施工全過程的有限元模型。

其中，混凝土的強度隨時間增長，考慮混凝土強度的增長對混凝土結(jié)構(gòu)的計算分析非常重要，尤其對采用分環(huán)分段施工的橋梁而言。此外，有限元模型也基于以下假設(shè)：施工過程中拱圈與拱架不發(fā)生相對滑移。

4.有限元結(jié)果分析

4.1第1環(huán)混凝土澆筑

第1環(huán)混凝土澆筑過程中，由于混凝土尚未凝固，強度和剛度都很小，無法承擔自重，其重量將全部由拱架承擔。因此，在澆筑第1環(huán)混凝土過程中主要考查鋼拱架變形，根據(jù)建立的有限元模型對4種不同澆筑方案進行對比分析，其結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出，在4種方案中，方案1和方案2的拱架拱頂變形相對較小。方案2首先澆筑中間段混凝土，由于拱腳段坡度較大，混凝土容易流向拱腳位置，不利于實際施工。方案1首先澆筑拱腳段混凝土，有利于施工。因此，可確定采用方案1進行第1環(huán)混凝土的澆筑。

4.2第2環(huán)混凝土澆筑

在澆筑第2環(huán)混凝土時，第1環(huán)混凝土已經(jīng)達到設(shè)計強度的90%以上，可以和拱架一起共同承擔第2環(huán)混凝土的重量，即此時的承重結(jié)構(gòu)為拱架和第1環(huán)混凝土。在澆筑第2環(huán)混凝土的過程中不僅要分析拱架的變形還要考慮第1環(huán)混凝土的應力大小，以防混凝土開裂。第2環(huán)混凝土不同澆筑方案的拱架拱頂變形和結(jié)構(gòu)應力結(jié)果如圖8和表2所示。

由圖8和表2可看出第2環(huán)混凝土不同施工方案下的拱架變形和第1環(huán)混凝土應力大小。方案1雖然拱架變形不大，但是其前期形成的混凝土拉應力較大，其值達到了-3.5MPa，相對而言，其他澆筑方案拉應力大小均為-1.1MPa，減少了68%。綜合考慮拱架變形、第1環(huán)混凝土拉應力大小和施工方便，采用方案4進行第2環(huán)混凝土的澆筑。

4.3第3環(huán)混凝土澆筑

在澆筑第3環(huán)混凝土時，第2環(huán)混凝土已經(jīng)達到設(shè)計強度的90%以上，可以和第1環(huán)混凝土以及拱架一起共同承擔第3環(huán)混凝土的重量，即此時的承重結(jié)構(gòu)為拱架和第1、2環(huán)混凝土。在澆筑第3環(huán)混凝土過程中同樣需考慮拱架變形和前期形成拱圈的應力。第3環(huán)混凝土不同澆筑方案的拱架拱頂變形和結(jié)構(gòu)應力結(jié)果如圖9和表3所示。

由圖9和表3可看出第3環(huán)混凝土不同施工方案下的拱架變形和第2環(huán)混凝土應力大小。方案1雖然拱架變形不大，但是其前期形成的混凝土拉應力最大，達到了-5.4MPa，而方案4拉應力最小為-1.7MPa。為進一步減少拱圈的拉應力，降低拱圈混凝土開裂風險，增加第3環(huán)混凝土澆筑的分段數(shù)如圖10所示，并對其澆筑順序進行了研究，拱圈腹板應力結(jié)果如表4所示。

從表4可見，較為合理順序為⑥③①⑤②④，最不利應力出現(xiàn)在所有拱圈頂板混凝土澆注完成時，位置為拱腳附近，數(shù)值為1.2MPa。

4.4拱上建筑施工

拱上排架及空心板的施工順序也會對主拱圈受力產(chǎn)生一定影響，為了減小拱圈的拉應力，對拱上排架和空心板的施工順序進行對比分析，其結(jié)果如表5所示。由表5可知，當拱上排架及空心板由拱頂向拱腳澆筑時，拱圈頂板的拉應力最小。

4.5溫度作用影響分析

橋涵設(shè)計中通常將溫度作用分成均勻溫度和梯度溫度兩種進行考慮，均勻溫度變化相對較簡單且早已被結(jié)構(gòu)設(shè)計所考慮，而非線性的梯度溫度相對較復雜且往往是設(shè)計計算的控制因素。目前，日照豎向溫度梯度的確定主要是依據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》，鋼筋混凝土箱形拱橋在施工過程中受到日照溫度的影響，其截面應力將會產(chǎn)生變化，為了研究日照梯度溫度對結(jié)構(gòu)應力作用的大小，計算規(guī)范規(guī)定的梯度溫度作用下結(jié)構(gòu)的最大應力，其結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，在主拱圈澆筑過程中，由于日照溫度作用產(chǎn)生的每一環(huán)拱圈混凝土最大拉、壓應力相差不大，其中最大拉應力為0.79MPa，最大壓應力為1.80MPa，溫度應力對結(jié)構(gòu)造成的影響不容忽視，主拱圈結(jié)構(gòu)應該選取在凌晨溫度變化最小的時段進行合攏澆筑。

5.主拱圈澆筑過程實測數(shù)據(jù)分析

在每一環(huán)混凝土澆筑完成后采用全站儀對鋼拱架產(chǎn)生變形進行實測，將實測值與理論值比較，如圖11～13所示；在第2環(huán)和第3環(huán)混凝土澆筑完成后采用施工過程中預埋的振弦式應變計對底板混凝土相應位置的應力進行實測，將實測值與理論值比較，如圖14～15所示。從圖11～15中可得出，拱架拱頂變形和底板應力大部分測點的實測值與理論值總體趨勢和走向一致（個別測點由于測試和計算誤差的存在，有一定的差別），表明了上述有限元計算與所確定的程序與方法的可靠性。

6.結(jié)論

采用Midas/Civil有限元軟件建立計算模型，對甘河溝大橋主橋相同分環(huán)方法、不同分段澆筑順序的混凝土拱圈受力及拱架變形分別進行模擬和對比分析，確定了合理施工程序與方法，可得到如下結(jié)論：

1）拱圈第1環(huán)混凝土的施工只需考慮鋼拱架變形的影響，最優(yōu)的澆筑順序為：拱腳段一拱頂段一中間段。

2）拱圈第2環(huán)和第3環(huán)混凝土的施工需綜合考慮鋼拱架變形及前期成形拱圈混凝土應力的影響，第2環(huán)混凝土澆筑順序為：拱頂段一拱腳段一中間段；第3環(huán)混凝土澆筑順序為：拱頂段1→中間段1→拱腳段1→拱頂段2→拱腳段2→中間段2。

3）選擇合理的拱上排架及空心板施工順序能有效減少拱圈拉應力，降低混凝土裂縫出現(xiàn)的風險，拱上建筑最優(yōu)澆筑順序為：拱頂一拱腳。

4）拱圈施工過程中拱架變形及底板應力的實測值與理論值總體上吻合較好，表明所確定的施工程序與方法合理可靠。