常备式钢拱架施工设计与受力分析

唐颖贤

(广西路桥工程集团有限公司，广西　南宁　530011)



常备式钢拱架施工设计与受力分析

唐颖贤

(广西路桥工程集团有限公司，广西南宁530011)

相对于梁柱式钢管贝雷片落地支架安装，钢拱架具有构件简单、单片重量较轻、运输拆装方便、标准化程度高等优点，在跨度50～140m的钢筋混凝土拱桥施工得到广泛使用。文章结合钢筋混凝土主拱圈现浇拱架施工工程实例，介绍了常备式钢拱架施工设计方案，并通过结构计算软件Midas对支架系统、钢筋混凝土主拱箱梁截面进行受力分析，使构件各项验算指标满足设计及规范要求，为类似拱桥的建造提供参考。

主拱圈；钢拱架；施工设计；结构计算软件；Midas软件；受力分析

0　引言

拱桥由于跨越能力大、受力清晰、结构美观及泄洪能力强等特点，被广泛应用于山区。钢筋混凝土拱圈施工一般为预制安装及支架现浇两种。当钢筋混凝土拱圈采用现浇施工时，通常采用搭设满堂支架、少钢管支架、钢拱架等方案，根据不同地形环境选用不同方案。

1　工程概况

三家寨大桥是贵州毕(节)至都(格)高速公路上的一座钢筋混凝土箱型拱桥，桥址区属于峰丛山地的峡谷地貌区，峡谷两岸岩壁陡峭，路线走向基本与峡谷走向正交，桥面距谷底高100多米，主桥右幅跨径1～70 m，左幅跨径1～78 m。由于该桥跨越深山峡谷，受地形限制无法搭设满堂支架进行拱圈混凝土现浇施工，而是采用无支墩六四式军用梁拼装式拱架、砂筒卸载落架等施工技术。

图1　三家寨大桥桥型布置图

2　常备式钢拱架施工设计

2.1钢拱架总体布置

根据三家寨大桥拱轴线参数，设定拱架拱轴线为悬链线。拱架基本结构为六四式军用梁，下弦杆和标准三角拼装的桁式双铰系杆拱。大桥施工拱架主要由拱架、临时支座砂筒、缆风绳组成，以及拼装拱架辅助支撑架等。

其中拱架由六四式军用梁的标准三角、加强三角、下弦杆、钢销钢枕、横向联系支撑架、横向连接槽钢等组拼而成。三家寨大桥右幅拱架纵向18片标准三角、2片加强三角拱，横向布置9榀拱架，左幅拱架纵向20片标准三角、2片加强三角拱，横向布置11榀拱架，并用联系支撑架以及连接槽钢连成整体，拱架总体布置如图2所示。

图2　拱架总体布置图

2.2钢拱架搭设

在每组钢拱架拱腰接头位置采用φ48钢管搭设两个2m×12m的临时支架作为接头处临时支撑以及操作平台，拱架合拢位置搭设一个4.8m×12m的临时支架作为拱架合拢位置的支点及操作平台。钢拱架纵向每环按节段进行拼装，从拱脚至拱顶对称进行，横桥向按每环从外到里进行拼装，完成一环钢拱架合拢后，方进行下一环钢拱架拼装。构件吊装采用两台25t吊车进行，如图3所示。

图3　钢拱架吊装示意图

3　钢拱架体系受力检算

3.1施工工况

钢拱架体系受力检算，需充分考虑施工过程，拱圈混凝土施工过程是一个对支架不断加载的过程。考虑拱圈浇筑与支架变形之间的相互影响，为防止支架异常变形，破坏主拱轴线，甚至产生混凝土裂缝，同时遵循“分环分段对称浇筑，使支架在混凝土浇筑过程中发生的变形均匀对称”的施工原则，确定该桥主拱圈浇筑顺序如图4所示。

图4　主拱圈浇筑顺序图

主拱圈施工采用对称分环分段浇筑，整个拱圈根据支架的结构体系分为2个浇筑环；即第一环为底板、腹板(高85cm)，第二环为腹板(高75cm)、顶板。第一环按底板以及浇筑腹板(高85cm)进行，对称分5个节段浇筑，在节段1拱脚端头以及节段2中部预留50cm合拢段，完成所有节段后，进行整个拱圈的腹板以及底板的合拢。第一环合拢后，开始浇筑第二环，第二环分3个节段，拱脚第一节段与拱顶第二节段浇筑同时进行，然后浇筑第二环第三节段完成顶板合拢。施工缝必须与底板、腹板节段施工缝错开50cm。

3.2设计检算

根据拱圈混凝土浇筑顺序，验算支架底板浇筑时钢拱架所承受的荷载，根据施工阶段分为6个工况进行计算。如表1所示。

表1　施工工况表

3.2.1钢拱架安装临时支架验算

临时安装钢管支架验算，施加荷载按6片钢拱架一组，每组4.6t，取1.2安全系数进行加载。计算所得应力如图5所示，最大组合应力为124.8MPa，小于A3钢的允许应力140MPa。

图5　安装临时支架应力图

计算得支架位移如图6所示，最大位移为1.1mm，位移较小，结构安全。

图6　安装临时支架位移图

3.2.2钢拱架验算

支架验算采用Midas软件进行，荷载均匀施加于拱架单元上，钢拱架采用梁单元。建实体模型如图7所示。

图7　钢拱架模型图

3.2.3钢拱架计算结果分析

表2　钢拱架计算结果表

其中工况六的计算结果如下：

(1)计算得工况六浇筑拱腰混凝土节段5时支架应力如图8所示。

图8　钢拱架工况六应力图

(2)计算得工况六浇筑拱腰混凝土节段5时拱架变形如图9所示。

图9　钢拱架工况六位移图

计算得工况六最大组合应力为182.8MPa，<16mm钢材允许应力[σ]=210MPa；支架最大下挠值为5.5cm，<70/1 000=0.07m合7cm；满足《公路桥涵施工技术规范》(JTG/TF50-2011)对拱式拱架受载后的弹性挠度要求。

3.2.4计算反力结果

(1)计算得工况六浇筑完拱圈底板拱架拱脚每个支点支反力如图10所示，最大支反力FX水平纵桥向为37.6 t，FY水平横桥向为5.8 t，FZ竖向为33.3 t。

图10　钢拱架工况六反力图

3.2.6拱架拱脚基础验算

现浇支架拱架支座底浇筑宽为50 cm，厚为30 cm的C25混凝土拱脚地梁，浇筑时预埋反U型钢筋，以固定[25槽钢导轨。计算采用Midas软件建立基础实体单元。只验算浇筑完拱圈底板与腹板后，在该支反力的作用下基础的受力情况。拱圈全部浇筑完后拱脚FZ竖向支反力为33.3 t。18个支点共计599.4 t，均匀分配到12 m[25槽钢导轨上混凝土基础面受压为199.8 t/m2。建立模型计算得C25混凝土基础最大压应力为2.0 MPa，基础应力较小。

图11　钢拱架拱脚基础应力图

4　结语

在日常施工生产管理中，如何避免桥梁结构体系失稳而导致灾难性的安全质量事故，须通过技术平台的指导和科学严谨的验算去实现管理的提升。本文结合实例介绍钢拱架施工设计方案，通过Midas结构计算软件进行受力分析，探讨此类桥梁结构体系的理论验算，以达到科学高效、降本增效的标准要求，对常备式钢拱架设计与施工有一定的指导性。

[1]向中富，徐君兰，王银辉，等.拱桥拱架施工过程中的结构行为分析[J].重庆交通学院学报，2001(11)：17-22.

[2]李新月，张小花.大跨度变曲率无支墩钢拱架施工混凝土拱桥技术[J].铁道工程学报，2001(6)：33-35，36.

[3]李展明.现浇拱桥钢桁拱架受力分析与施工[J].山东交通科技，2012(3)：36-38.

[4]李荣建，刘山洪.大跨度钢筋混凝土拱桥拱架监测与模型对比分析[J].黑龙江科技信息，2010(1)：236.

[5]路桥集团第一公路工程局.公路桥涵施工技术规范[M].北京：人民交通出版社，2011.

Standing-type Steel Arch Construction Design and Stress Analysis

TANG Ying-xian

(Guangxi Road and Bridge Engineering Group Co.，Ltd.，Nanning，Guangxi，530011)

Compared to column-type steel-tube bailey floor bracket mounting，the steel arch has advantages such as simple components，light weight of each single piece，easy transportation and mounting，and high standardization degree，which is then widely used in the construction of reinforced concrete arch bridges with the 50～140m span.In combination with the in-situ arch frame construction project of reinforced concrete main arch，this article introduced the construction design program of standing-type steel arch，and through the structure calculation software Midas，it conducted the stress analysis on the stent system as well as the box girder sections of reinforced concrete main arch，so that all checking indicators of components can meet the design requirements and specifications，thereby providing the reference for the construction of similar bridges.

Main arch；Steel arch；Construction design；Structural calculation software；Midas software；Stress analysis

U445.35

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.07.007

1673-4874(2016)07-0027-04

2016-06-11

唐颖贤(1987—)，工程师，研究方向：公路桥梁施工管理。