夾巖水利樞紐工程西溪河管橋鋼拱架穩(wěn)定性分析

夏云東

摘要：以夾巖水利樞紐工程西溪河管橋?yàn)槔O(shè)計(jì)并實(shí)施了鋼拱架預(yù)壓方案，通過全過程跟蹤監(jiān)測(cè)預(yù)壓階段的拱架變形和應(yīng)力變化情況，并與仿真模擬計(jì)算成果進(jìn)行對(duì)比，全面分析了鋼拱架的穩(wěn)定性。針對(duì)預(yù)壓出現(xiàn)的橫向偏位問題，提出了科學(xué)合理的工程處理措施，確保了在主拱圈第一環(huán)混凝土澆筑期間，鋼拱架軸線偏位始終處于規(guī)范限值內(nèi)，為后續(xù)施工安全奠定了良好基礎(chǔ)。分析成果可為類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：管橋;鋼拱架;施工監(jiān)控;穩(wěn)定性分析;西溪河管橋;夾巖水利樞紐工程;貴州省

中圖法分類號(hào)：U448.22文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.09.024

Abstract： Taking Xixi River pipeline bridge， a part of the Jiayan Hydro Complex Project， as example， we put forward and implemented a preloading scheme for steel arch frame， monitored the arch deformation and stress variations in the preloading stage， compared the monitored results with the simulation results， and thoroughly analyzed the stability of the steel arch frame. In view of large lateral deviation during preloading， scientific and reliable engineering measures were proposed and adopted， and the axis deviation of the steel arch was ensured always within the specified limits during the concrete placement for the first ring of the main arch. The analyses laid foundation for the subsequent construction， and the results can provide reference for other similar projects.

Key words： pipeline bridge; steel arch frame; construction monitoring; stability analysis; Xixi River pipeline bridge; Jiayan Hydro-complex Project; Guizhou Province

1 研究背景

鋼筋混凝土拱橋因其跨越能力大、結(jié)構(gòu)性能優(yōu)越且外形優(yōu)美，特別適應(yīng)于西南地區(qū)在需要跨越地勢(shì)陡峭的峽谷、河流上修建。我國(guó)橋梁施工控制技術(shù)研究起步較晚，但發(fā)展迅速。鄭樂琴[1]以貴州甘河溝大橋?yàn)槔芯苛斯凹墁F(xiàn)澆混凝土拱橋施工控制重難點(diǎn)，提出以“線形控制為主，應(yīng)力控制為輔”的控制策略，并初步確定了分環(huán)分段位置。彭畢輝[2]分析了幾種常見拱圈與拱架類型的主要特點(diǎn)以及工程適用條件，并研究了施工監(jiān)控的布置方式以及后續(xù)數(shù)據(jù)處理分析的方法。謝彬[3]設(shè)計(jì)了某大橋鋼桁拱架預(yù)壓試驗(yàn)，提出了合理的預(yù)壓方案，并對(duì)拱架預(yù)壓進(jìn)行全過程模擬。蔣田勇等 [4]以桂陽縣龍江渡大橋?yàn)楣こ瘫尘?，設(shè)計(jì)了鋼拱支架水箱預(yù)壓試驗(yàn)方案，提出了合理的預(yù)壓加載和卸載方式，并對(duì)其強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算和分析，最終根據(jù)預(yù)壓成果確定了鋼拱架的預(yù)拱度，對(duì)拱肋底部標(biāo)高控制具有一定指導(dǎo)意義。沈陽[5]、李展明[6]根據(jù)水箱預(yù)壓試驗(yàn)監(jiān)控成果，驗(yàn)證了鋼拱架的結(jié)構(gòu)性能，確保了后續(xù)施工安全。

目前拱架法施工技術(shù)較為成熟，但由于溝谷地帶施工環(huán)境復(fù)雜，拱架法施工程序多且施工控制難度大，因此在鋼拱架的吊裝、鋼拱架預(yù)壓、主拱圈分環(huán)分段澆筑和鋼拱架落架施工等關(guān)鍵節(jié)段，有效開展施工監(jiān)控工作必不可少，是確保大跨度管橋施工安全并順利合龍及建成后正常運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵。

2 工程概況

2.1 工程簡(jiǎn)介

西溪倒虹管為夾巖工程的一部分，其中西溪河管橋跨越西溪河“U”形峽谷，河谷寬約85 m，深102 m，兩岸為陡壁，上部為緩坡平臺(tái)及斜坡，巖層傾角平緩，邊坡整體穩(wěn)定。

西溪河管橋主拱為懸鏈線無鉸拱，凈跨108 m，矢高21.6 m，拱軸系數(shù)1.832，西溪河管橋總體布置見圖1。拱圈采用C50鋼筋混凝土箱形拱，單箱雙室結(jié)構(gòu)，寬6.0 m，高2.2 m，拱箱頂?shù)装搴?0 cm，邊腹板、中腹板厚30 cm，橫隔板厚25 cm。主拱采用貝雷拱架現(xiàn)澆，拱架采用321型貝雷片拼裝而成，為調(diào)節(jié)拱圈標(biāo)高及脫架方便，拱圈上設(shè)置帶頂托鋼管支架，主拱圈C50混凝土主要工程量為694 m3。

根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果，將西溪管橋主拱圈分為5個(gè)節(jié)段進(jìn)行澆筑，長(zhǎng)度分別為19.5，27，26，27 m和19.5 m。主拱圈底板混凝土澆筑順序?yàn)椋和綕仓M(jìn)、出口拱腳A1和A2段19.5 m和拱頂B段26 m底板混凝土，同步澆筑進(jìn)、出口岸C1和C2段27 m底板混凝土。主拱圈分段情況詳見圖2。

2.2 鋼拱架預(yù)壓方案

2.2.1 預(yù)壓荷載確定

根據(jù)拱圈混凝土澆筑施工方案，拱圈混凝土分3環(huán)澆筑：第1環(huán)澆筑底板混凝土及1/5腹板混凝土，第2環(huán)澆筑剩余腹板和橫隔板混凝土，第3環(huán)澆筑頂板混凝土。第1環(huán)拱圈混凝土澆筑強(qiáng)度達(dá)到90%以上，再澆筑第2環(huán)拱圈混凝土;第2環(huán)拱圈混凝土澆筑強(qiáng)度達(dá)到80%以上，再澆筑第3環(huán)拱圈混凝土。澆筑第2環(huán)拱圈混凝土濕重由拱圈底板混凝土和鋼拱架共同承擔(dān)，經(jīng)計(jì)算分析拱架的變形與應(yīng)力，確定鋼拱架預(yù)壓加載最大重量以澆筑第1環(huán)拱圈混凝土重量的1.2倍來控制。

根據(jù)拱圈混凝土配比，拱圈混凝土容重取23.8 kN/m3，第1層拱圈底板混凝土重量為763 t;拱圈鋼筋總重量為180 t，澆筑第一層拱圈混凝土?xí)r考慮底板、腹板及部分橫隔板鋼筋合計(jì)重量為90 t;整個(gè)拱圈外側(cè)鋼模板設(shè)計(jì)荷載重40 t;因貝雷拱架預(yù)壓搭設(shè)鋼管腳手架平臺(tái)所使用的鋼管、方木及模板荷載小于澆筑第1層拱圈混凝土?xí)r所使用的鋼管、方木及模板的數(shù)量，所以貝雷拱架預(yù)壓時(shí)在搭設(shè)鋼管腳手架平臺(tái)水箱內(nèi)施加的荷載總重為893 t。

2.2.2 水箱布置及分級(jí)荷載確定

水箱在貝雷拱架上平鋪布置，共分為26個(gè)水箱，其中進(jìn)、出口對(duì)稱第1（拱腳）～6 號(hào)水箱長(zhǎng)度為2.745 m，第7～12號(hào)水箱（拱腰）長(zhǎng)度為3.660 m， 13號(hào)（拱頂）水箱長(zhǎng)度為2.745 m，水箱高度均為1.83 m。水箱實(shí)際裝水寬度為5.6 m，按照拱圈底板荷載分布（其中模板施工荷載均勻分?jǐn)偅┯?jì)算得出各個(gè)水箱的裝水高度。按照底板混凝土的澆筑順序，先將混凝土澆筑過程中的分段澆筑區(qū)域與水箱相對(duì)應(yīng)，詳見表1和圖3。

根據(jù)分段澆筑區(qū)域與水箱對(duì)應(yīng)表的統(tǒng)計(jì)，按照混凝土澆筑順序，預(yù)壓加載和卸載均按分級(jí)原則進(jìn)行，其中加載分70%，100%，120%共3級(jí)進(jìn)行，卸載按50%，0% 兩級(jí)進(jìn)行。

2.3 監(jiān)測(cè)布置

為監(jiān)測(cè)拱架應(yīng)力和變形情況，防止拱架結(jié)構(gòu)在施工過程中出現(xiàn)局部變形或應(yīng)力過大，對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不利，導(dǎo)致安全問題，根據(jù)仿真計(jì)算成果，有針對(duì)性地在拱腳、L/8、L/4、3L/8、拱頂?shù)瓤刂平孛嬉约敖?jīng)過結(jié)構(gòu)計(jì)算最不利受力截面處附近的陰陽接頭處布置固定棱鏡觀測(cè)點(diǎn)，并在斷面的上、下弦桿布設(shè)應(yīng)變計(jì)，橫橋向按左、中、右進(jìn)行布設(shè)，并盡可能對(duì)稱布置，以便對(duì)其進(jìn)行比較分析。監(jiān)測(cè)布置情況見圖4。

3 預(yù)壓成果分析

西溪河拱架預(yù)壓試驗(yàn)實(shí)測(cè)鋼拱架控制截面應(yīng)力與計(jì)算應(yīng)力對(duì)比見表2。根據(jù)表2可知：鋼拱架預(yù)壓試驗(yàn)過程中，實(shí)測(cè)桿件應(yīng)力與計(jì)算值較接近，應(yīng)力值在規(guī)范的容許范圍內(nèi)且殘余應(yīng)力較小，表明鋼拱架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

鋼拱架預(yù)壓試驗(yàn)實(shí)測(cè)撓度變形與計(jì)算變形對(duì)比見圖5。根據(jù)圖5可知：鋼拱架預(yù)壓試驗(yàn)過程中，實(shí)測(cè)鋼拱架撓度（彈性）變形與計(jì)算變形的量值和分布情況基本一致，主要呈對(duì)稱狀態(tài)，拱頂最大彈性變形為39.3 mm，表明鋼拱架縱向剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

鋼拱架預(yù)壓試驗(yàn)實(shí)測(cè)橫橋向軸線偏位分布見圖6。根據(jù)圖6可知：預(yù)壓試驗(yàn)過程中拱架橫橋向（平面上）整體呈“S”形扭曲，扭曲區(qū)域主要分布在2～4號(hào)拱架節(jié)段范圍內(nèi)，且拱架軸線最大偏位達(dá)54.4 mm，超出規(guī)范限值。卸載后，進(jìn)口岸存在13 mm、出口岸存在34.8 mm未恢復(fù)的軸線偏位。軸線偏位過大且預(yù)壓過程中持續(xù)增長(zhǎng)，表明鋼拱架存在橫向剛度偏弱，橫向穩(wěn)定性系數(shù)較小的不足。

4 處理措施及效果

4.1 處理措施

鋼拱架預(yù)壓試驗(yàn)過程中，預(yù)壓至120%試驗(yàn)荷載時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映鋼拱架橫橋向軸線偏位超規(guī)范限值較多。鑒于拱架試驗(yàn)存在的拱架橫向較弱，橫向穩(wěn)定性系數(shù)較小等問題，對(duì)拱架預(yù)壓過程中存在的問題采取如下處理措施。

（1）卸載后，重點(diǎn)檢查第2，3，4組拱架是否存在桿件及螺栓無法恢復(fù)的塑性變形，應(yīng)及時(shí)對(duì)其進(jìn)行更換或局部加強(qiáng)，并調(diào)整拱軸線至設(shè)計(jì)位置。

（2）對(duì)鋼拱架第2，3，4組拱架橫向結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，可采用通長(zhǎng)槽鋼加強(qiáng)貝雷間的橫向聯(lián)系及每組拱架底面鋪設(shè)剪刀撐，以增強(qiáng)拱架整體橫向剛度及橫向穩(wěn)定性。

（3）按圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求、拱橋施工規(guī)范及施工通常做法進(jìn)行設(shè)置風(fēng)纜，重點(diǎn)對(duì)鋼拱架第2，3，4組拱架設(shè)置風(fēng)纜。風(fēng)纜設(shè)置應(yīng)纜風(fēng)索應(yīng)對(duì)稱布置，且上下游纜風(fēng)索的長(zhǎng)度相差不宜過大;纜風(fēng)索與鋼拱架軸線夾角宜大于45°，與底面平面夾角宜為30°。

（4）受本橋場(chǎng)地條件所限，完全按規(guī)范設(shè)置風(fēng)纜較為困難。鑒于橋體自身橫向穩(wěn)定較小，在澆筑階段拱架穩(wěn)定系數(shù)缺乏足夠儲(chǔ)備，因此若不設(shè)置風(fēng)纜，可利用鋼扣塔掛扣索，并施加一定的張拉力。

4.2 處理后效果

2020年6月17日，對(duì)西溪河管橋主拱圈第一環(huán)混凝土澆筑全過程進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，合龍24 h后的主要成果如下。

（1）實(shí)測(cè)鋼拱架最大應(yīng)力為76.05 MPa，在規(guī)范容許范圍內(nèi)，鋼拱架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）實(shí)測(cè)鋼拱架最大撓度為 -9.7 mm（下?lián)希?，發(fā)生于3L/4部位。實(shí)測(cè)鋼拱架存在-5.3～0.8 mm橫橋向偏位，鋼拱架線形處于規(guī)范范圍內(nèi)。

（3）實(shí)測(cè)鋼扣塔最大水平位移為10.7 mm，往河心偏移。橫橋向最大偏位為0.5 mm，處于合理范圍內(nèi)。

綜合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：合龍24 h后，鋼拱架結(jié)構(gòu)受力正常、軸線偏位及豎向撓度均在規(guī)范要求范圍內(nèi)，拱架結(jié)構(gòu)安全，第一層主拱圈澆筑工作順利完成。同時(shí)鋼拱架軸線偏位始終未超1cm，較預(yù)壓階段產(chǎn)生的超規(guī)范偏位情況有明顯改善，表明預(yù)壓后所采取的工程處理措施有效得當(dāng)。

5 結(jié) 語

預(yù)壓試驗(yàn)可模擬主拱實(shí)際澆筑工況，是對(duì)鋼拱架整體穩(wěn)定性的一次有效檢驗(yàn)，可有效消除鋼拱架的非彈性變形，使所有連接桿件緊密連接，為后續(xù)預(yù)拱度的設(shè)置提供科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，對(duì)于寬跨比較小的拱架，橫向穩(wěn)定性是其較薄弱的環(huán)節(jié)，預(yù)壓加載過程中的軸線偏位是監(jiān)控重點(diǎn)，正確有效設(shè)置纜風(fēng)索可提高其整體穩(wěn)定性，并為實(shí)際施工提供一定的應(yīng)急保障。若受施工場(chǎng)地條件所限導(dǎo)致風(fēng)纜設(shè)置較為困難時(shí)，可利用現(xiàn)有設(shè)施布置扣索并施加一定的張拉力，可有效保證澆筑過程中拱架整體結(jié)構(gòu)安全。

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（編輯：李曉濛）