貝雷拱架等效荷載預(yù)壓法的應(yīng)用價(jià)值研究

（湖南湘西土家族苗族自治州交通科學(xué)技術(shù)研究院，湖南 吉首 416000）

在拱橋拱圈現(xiàn)澆施工中，為了保證拱圈在施工完成拱架卸架后滿足設(shè)計(jì)的外形尺寸及預(yù)拱度要求，檢驗(yàn)拱架的整體穩(wěn)定性及拱架的實(shí)際承載能力，消除拱架的非彈性變形，掌握彈性變形量，為拱圈施工加載提供最可靠的參數(shù)，確保拱圈現(xiàn)澆施工安全，需對(duì)拱架進(jìn)行預(yù)壓。對(duì)拱架的預(yù)壓，通常采用滿載堆載法、水箱加載法等方法進(jìn)行預(yù)壓試驗(yàn)。對(duì)于無中間支撐的大跨徑貝雷拱架，如采用滿載堆載法、水箱加載法對(duì)拱架進(jìn)行預(yù)壓試驗(yàn)，加載與卸載施工時(shí)間較長(zhǎng)，投入的費(fèi)用較多。結(jié)合保靖甘蘭坪大橋主跨110m箱肋拱采用無中間支撐貝雷拱架現(xiàn)澆施工工藝，對(duì)貝雷拱架采用等效荷載法預(yù)壓試驗(yàn)的應(yīng)用價(jià)值進(jìn)行研究。

一、工程概況

保靖甘蘭坪大橋?yàn)楸＞缚h城至清水坪公路上的一座新建橋梁工程，橋?qū)?.0m，橋梁主跨為l×110m的懸鏈線等截面箱肋拱，主拱圈全寬7.2m，矢跨比為1/6，主拱圈采用無中間支撐的貝雷拱架進(jìn)行混凝土現(xiàn)澆施工。橫向設(shè)置14片高1.5m的貝雷拱片組成貝雷桁架，其上安裝拱盔形成貝雷拱架。主拱圈厚度2.5m，分為2肋，每榀拱肋寬度3.0m，單箱2室，采用分帶、分環(huán)、分段的方法對(duì)稱加載施工。第一環(huán)施工0.3m高度底板，第二環(huán)施工1.9m高度腹板，第三環(huán)施工0.3m高度頂板。

二、拱架預(yù)壓方案

（一）等效荷載法預(yù)壓定義

根據(jù)貝雷拱架設(shè)計(jì)，貝雷拱架承擔(dān)主拱圈第一環(huán)施工荷載，拱架的預(yù)壓加載重量原則上為第一環(huán)施工荷載的120%。

貝雷拱架為無中間支撐的空間弧形桿件體系，類似拱體結(jié)構(gòu)，承荷工況下主要承力桿件貝雷桁架承受軸向作用力。根據(jù)拱圈承荷工況下拱體彎矩和軸向作用力效應(yīng)特點(diǎn)，在拱頂一定區(qū)域范圍堆載，使拱架在拱頂處的彎矩達(dá)到設(shè)計(jì)值的1.2倍，或拱頂處彎矩在1.05至1.2倍之間，水平推力能夠達(dá)到不小于設(shè)計(jì)值的1.2倍；同時(shí)在拱跨的1/8、3/8區(qū)域范圍堆載，以保證在拱頂堆載、荷載作用下，拱架的拱頂、拱跨的1/8～1/4之間保持拱架線形，從而達(dá)到拱架預(yù)壓目的和效果，免除拱架全跨內(nèi)堆載預(yù)壓，此預(yù)壓方法即為貝雷拱架等效荷載預(yù)壓法。

（二）荷載分析

1.拱架自重

貝雷桁架為兩鉸拱，重量按單元單位長(zhǎng)度重量計(jì)入。全橋?qū)挋M向布置14片貝雷拱架，每片有40塊貝雷架（其中38塊為標(biāo)準(zhǔn)件，2塊為特制件）拼接而成，每塊定型貝雷架自重2.56kN，則全橋貝雷架拱架自重總重量P11=14×40×2.56=1433.6kN。

橫向連接桿件包括貝雷架片之間的橫向風(fēng)撐及頂部與底部的鳳撐，風(fēng)撐有8號(hào)槽鋼，L6.3角鋼，L5角鋼組成，橫向連接縱向間距為3.0m，即橫向聯(lián)接桿在縱向分別設(shè)置39處。

1塊橫向鳳撐與2塊頂部與底部的風(fēng)撐取平均重量30kg每片。橫向聯(lián)接桿件的總重量為：P21=5×39×0.3=58.5kN。故拱架整體重量為：P11+P21=1492.1kN，約149t。拱架自重荷載集度為：q=1492.1/（14×118）=0.90kN/m。

2.貝雷拱架荷載分配系數(shù)

單片貝雷架的橫向分布系數(shù)計(jì)算，根據(jù)貝雷拱片橫向位置，利用橋梁博士V3.0程序軟件分別采用杠桿法與剛性橫梁法兩種方法進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。在計(jì)算橫向分布系數(shù)時(shí)，選取半幅的7片貝雷拱片進(jìn)行計(jì)算，由外至內(nèi)貝雷拱片的編號(hào)為1～7。

圖1 ?剛性橫梁法橫向分布系數(shù)圖

表1 ?剛性橫梁法橫向分布系數(shù)

表2 ?杠桿法橫向分配系數(shù)

由表1與表2可知，采用杠桿法計(jì)算時(shí)，受力最不利的貝雷拱片為3號(hào)、5號(hào)，與14片貝雷拱片平均分配荷載的分配系數(shù)0.1429相差較大。采用剛性橫梁法計(jì)算時(shí)，最大橫向分布系數(shù)為1號(hào)貝雷拱片，與14片貝雷拱片平均分配荷載的分配系數(shù)0.1429接近。杠桿法表示貝雷拱架的橫向聯(lián)系較差，剛性橫梁法表示貝雷拱架橫向聯(lián)系較好。在驗(yàn)算拱架的安全性時(shí)采用剛性橫梁法橫向分布系數(shù)，對(duì)1號(hào)貝雷拱片進(jìn)行驗(yàn)算。

3.預(yù)壓荷載分析

第一環(huán)混凝土重量為0.3×3×118×2×26=5522kN，設(shè)計(jì)值預(yù)壓荷載按此重量的1.05至1.2倍計(jì)算，則預(yù)壓總重量為5798～6626kN，實(shí)際預(yù)壓荷載按6000kN，按剛性橫梁法計(jì)算的橫向分布系數(shù)，進(jìn)行最不利布載計(jì)算。

最不利的1號(hào)貝雷拱片受力為6000×0.5×0.1725/118=4.4kN/m（不計(jì)自重），自重為0.9kN/m每片拱架，合計(jì)集度為4.4+0.9=5.3kN/m。

圖2 ?第一環(huán)主拱圈加載拱架計(jì)算示意圖

采用Midas有限元分析軟件建模對(duì)1號(hào)貝雷拱片分析，第一環(huán)主拱圈加載拱架計(jì)算示意圖，如圖2所示。

（三）預(yù)壓方案

根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，在拱頂采用水袋預(yù)壓，每幅水袋長(zhǎng)12m、寬3m、高1.8m，可容納約64.8m3水約648kN。拱頂每幅布置一個(gè)水袋，每個(gè)水袋裝水600kN。為了防止1/8～1/4（3/16）之間被壓拱起，在拱架的拱腳開始的第7片到第9片之間，左右對(duì)稱共兩處，每處壓313kN鋼材。此布置拱架預(yù)壓荷載方案，既方便施工，又可以保證預(yù)壓效果。如圖3所示。

圖3 ?1200kN水袋加626kN鋼筋預(yù)壓計(jì)算示意圖

（四）預(yù)拱度的設(shè)定

拱架的彈性撓度。拱架的自重?fù)隙龋害?＝22mm(由模型計(jì)算結(jié)果)。

拱架銷孔間隙產(chǎn)生的非彈性撓度全橋拱架按30個(gè)銷接接頭計(jì)，每個(gè)接頭非彈性變形(50-48.5)/2＝0.75mm（50mm為插銷孔直徑，48.5mm為插銷直徑），則全橋ds＝30×0.75＝22.5mm。近似按懸鏈線弧長(zhǎng)與矢高的變化關(guān)系：df=δ2＝dy/(16f/3L-128f/5L3)=29.2mm，式中dy=ds，f=1.0m，L=6.0m（6m長(zhǎng)直桿），f/L=1/6。

主拱圈拱頂預(yù)拱度按l/800設(shè)置，δu＝137.5mm。綜合以上因數(shù)，拱架總的預(yù)拱度值δ＝δ1＋δ2＋δu＝188.7mm。與工程設(shè)計(jì)的主拱圈拱頂預(yù)拱度按l/600設(shè)置183.33mm相符。

三、等效荷載法預(yù)壓試驗(yàn)評(píng)價(jià)

（一）預(yù)壓試驗(yàn)方法

加載位置為：拱頂、3/16、13/16截面。

加載范圍內(nèi)加載均布荷載，拱頂處采用水袋，3/16、13/16處采用鋼筋材料堆載。

加載重量為：拱頂處布設(shè)2個(gè)水袋，總重量1200kN；3/16、13/16處布設(shè)鋼筋重量各313kN。

加載次序采用三級(jí)分級(jí)加載，第一級(jí)加載至70%，第二級(jí)加載至90%，第三級(jí)加載至100%。

加載順序?yàn)椋汗绊敹巍?/16、13/16拱跨段，以拱頂為對(duì)稱。

加載完成，持荷5小時(shí)以上無異常即可開始卸載，卸載步驟按加載步驟反向進(jìn)行。

（二）預(yù)壓試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算相關(guān)性分析

試驗(yàn)結(jié)果表明：貝雷拱架桿件軸向應(yīng)力與施工加載荷載大小成正比例線性關(guān)系，施加荷載越大，貝雷拱架桿件軸向應(yīng)力越大；貝雷拱架的變形與施工加載荷載大小成正比例線性關(guān)系，施加荷載越大，貝雷拱架變形越大。

應(yīng)力和變形的測(cè)試結(jié)果與理論值吻合較好，應(yīng)力測(cè)試結(jié)果最大值與相應(yīng)的理論計(jì)算值之比為0.741；變形測(cè)試結(jié)果最大值與相應(yīng)的理論計(jì)算值之比為0.905，均小于1；預(yù)壓試驗(yàn)下，跨中截面的最大豎向變形為88.7mm，變形與跨徑之比小于1/800；實(shí)測(cè)應(yīng)力曲線小于理論計(jì)算應(yīng)力曲線，實(shí)測(cè)拱架豎向變形（撓度曲線）小于理論計(jì)算值（理論撓度曲線），說明貝雷拱架桿件各接頭處接觸緊密，拱架的剛度大，整體性較好。

表3 ??拱架沉降觀測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算比較(cm)

表4 ?桁架拱腳應(yīng)力測(cè)試結(jié)果與理論計(jì)算比較（MPa）

圖4 ?預(yù)壓加載與拱架拱腳應(yīng)力相關(guān)曲線

圖5 ?預(yù)壓加載與拱架拱頂下?lián)献冃蜗嚓P(guān)曲線

預(yù)壓完成卸載后，貝雷拱架桿件軸向應(yīng)力及豎向變形迅速回復(fù)，表明貝雷拱架的彈性好。

（三）工程驗(yàn)證

根據(jù)擬定的主拱圈施工加載程序，第一環(huán)施工主拱圈0.3m高度底板，施工荷載全部由貝雷拱架承擔(dān)。主拱圈第一環(huán)貝雷拱架上承受總荷載為10539.9kN，其中第一環(huán)混凝土重量為7559.9kN，貝雷拱架及其他荷載效應(yīng)為2980kN，拱腳截面計(jì)算軸向應(yīng)力為100MPa。主拱圈第一環(huán)施工貝雷拱架軸向應(yīng)力如表5所示，最大豎向撓度在拱頂下?lián)?1.9cm。

表5 ?主拱圈第一環(huán)施工貝雷拱架軸向應(yīng)力數(shù)據(jù)表

等效荷載預(yù)壓試驗(yàn)加載重量為1826kN，計(jì)入貝雷拱架自重后的總荷載為4806kN，約為主拱圈第一環(huán)施工加載總荷載效應(yīng)的45.6%，等效荷載試驗(yàn)加載實(shí)物重量約為主拱圈第一環(huán)混凝土重量的24.2%；等效荷載預(yù)壓試驗(yàn)實(shí)測(cè)貝雷拱架軸向應(yīng)力63MPa與主拱圈第一環(huán)施工加載實(shí)測(cè)貝雷拱架軸向應(yīng)力108MPa的比值為58.3%，等效荷載預(yù)壓試驗(yàn)實(shí)測(cè)貝雷拱架軸向應(yīng)力63MPa為貝雷拱架桿件容許軸向應(yīng)力136.5MPa的46.2%，表明預(yù)壓荷載大小與貝雷拱架的軸向應(yīng)力及豎向變形呈正等比關(guān)系。

（四）等效荷載預(yù)壓法評(píng)價(jià)

從等效荷載預(yù)壓試驗(yàn)的承載能力計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果可知：采用等效荷載預(yù)壓法對(duì)貝雷拱架預(yù)壓，理論計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果一致，能夠達(dá)到檢查拱架的整體穩(wěn)定性、消除拱架非彈性變形的目的。

等效荷載預(yù)壓法加載實(shí)物重量約為主拱圈第一環(huán)混凝土重量的24.2%，沒有完全表達(dá)施工實(shí)際荷載，通過預(yù)壓加載荷載大小與貝雷拱架軸向應(yīng)力和豎向變形相關(guān)性分析及實(shí)體工程驗(yàn)證，預(yù)壓荷載大小與貝雷拱架的軸向應(yīng)力及豎向變形呈正等比關(guān)系，工程驗(yàn)證保靖甘蘭坪大橋采用等效荷載預(yù)壓法對(duì)貝雷拱架進(jìn)行預(yù)壓是成功的，為貝雷拱架采用等效荷載預(yù)壓法提供了很好的借鑒價(jià)值。