三角拱座组合钢拱架体系计算分析

刘家奎，罗 浩，杜 斌

(1. 贵州顺康路桥咨询有限公司，贵州 贵阳 550000；2.贵州大学土木工程学院，贵州 贵阳 550025)

三角拱座组合钢拱架体系计算分析

刘家奎1，罗 浩1，杜 斌2

(1. 贵州顺康路桥咨询有限公司，贵州 贵阳 550000；2.贵州大学土木工程学院，贵州 贵阳 550025)

对山区一座采用三角拱座组合钢拱架体系施工的拱桥，采用有限元计算软件Midas进行分析，对其施工过程的应力、挠度及稳定性做了模拟分析，根据计算结果提出了合理化建议，为大跨度拱桥施工方案设计及计算提供参考。

钢拱架；三角拱座；计算分析

1 工程概况

马岭河特大桥主桥是一座净跨为152 m的上承式钢筋混凝土箱形截面拱桥。主拱圈为等高度悬链线拱，矢跨比为1/5，拱轴系数为1.872。

拱圈截面高度为3.2 m，单幅拱圈宽度为10.76 m，单箱五室截面。标准断面顶、底板及腹板厚度均为30 cm，拱脚两个横隔板范围内，顶、底板及中腹板的厚度由30 cm加厚到60 cm，边腹板的厚度由30 cm加厚到45 cm。

拱圈混凝土采用拱架现浇方法施工。混凝土浇筑程序采用分层浇筑法，待上一层混凝土全部浇筑完毕并达到设计强度后再进行下一层混凝土的浇筑，混凝土共分四层浇筑。

拱圈采用“四环五段法”进行浇筑，各层混凝土的浇筑程序如表1所示。每一段的浇筑方向均为由低向高进行，每层混凝土分五段对称浇筑。

该桥拱架设计较为特殊，桥跨中间采用跨度为120 m的钢拱架+两岸各16 m三角拱座搭模现浇形式，钢拱架布置为8肋，总宽度11.30 m(拱箱宽度10.67 m)。

钢拱架及三角拱座的尺寸，其中拱座斜撑钢管混凝土结构，稳定立柱(小立柱)为D630×12钢管结构，拱座立柱(大立柱)及横梁为C40钢筋混凝土结构。

表1 拱圈各层混凝土分段长度/m

2 计算荷载及计算工况

2.1 计算荷载

(1) 钢拱架结构自重，包括8组钢管斜撑及连接系85 t，8组拱架及连接系393 t。

(2) 拱架上钢管支架及模板重：225 t(在120 m拱架范围内均布考虑)，折算均布荷载18.0 kN/m。

(3) 施工荷载：50 t(在120 m拱架范围内均布考虑)，折算均布荷载4.0 kN/m。

(4) 四层混凝土在拱架范围内的折算均布荷载为别为：94.5 kN/m，76 kN/m，76 kN/m。

2.2 计算工况

根据实际施工情况主要考虑以下7个工况。

工况1：拱架自重；

工况2：工况1+钢管支架及模板重量+施工荷载；

工况3：工况2+拱圈底板混凝土重；

工况4：工况3+1.2 m高的拱圈腹板及横隔板重；

工况5：工况4+1.2 m高的拱圈腹板及横隔板重；

工况6：工况4+0.4 m剩余横隔板及拱圈顶板和上马蹄；

工况7：工况1(拱架自重)+模板及支架自重225 t+施工荷载50 t+1.2拱圈底板混凝土重(1.2×1219)=1 462 t。除拱架自重外的总试验荷载为1 737 t，折算后拱架范围的试验荷载为139.0 kN/m。

3 计算模型考虑

3.1 计算假定及计算模型

拱架的整体受力计算按平面杆系结构进行。其中桁片之间的连接节点(下弦的销接节点和上弦的球头连接节点)按铰接节点计算，桁片内节点按刚接节点计算。模板支架及拱圈各层荷载按照均布荷载模拟，一般上一环已浇筑成型的混凝土环可以承担很大一部分新浇筑混凝土重量，其承载比例占混凝土拱圈总重量的48%左右。因此对第2～4层拱圈荷载进行依次折减。拱架上的各种荷载通过支架传递到拱架上弦节点上。半幅钢拱架由8片拱架组成，本次计算选取一片拱架进行计算。

3.2 计算参数

拱架桁片钢材为Q345，其材料容许应力采用200 MPa，钢材弹性模量采用2×105MPa，钢材的线膨胀系数采用1.2×10-5，拱圈混凝土容重：26 kN/m3，混凝土的线膨胀系数：1.0×10-5。

弦杆和交叉斜腹杆为受压杆件，竖腹杆为受拉杆件。压杆承载力为杆件的整体稳定承载力控制，拉杆承载力为杆件的强度承载力控制。所有杆件的整体稳定验算均只验算拱架平面内的稳定，拱架平面外的稳定通过桁片组内的横向联系(缀板或缀条)来保证。

4 计算结果

4.1 承载力计算

拱架各种杆件在各满布荷载工况下的最大应力见表 2。由表中数据可以看出，拱架弦杆的最大应力发生在拱圈顶板混凝土浇筑完毕时，此时弦杆的最大应力为161 MPa<[σ]=200 MPa，满足规范要求，并有较大的安全储备。腹杆应力出现在第二层腹板浇筑完成后普通腹杆处最大应力为81 MPa<[σ]=200 MPa，远小于规范规定的容许应力200 MPa。

表3为拱架在各主要受力工况下的计算挠度，从表中数据可以看出，拱架的刚度较大，全部施工完成后，拱架包括自身重量产生的拱顶最大挠度为94 mm仅为拱架跨度(L=120 m)的1/1 276。

表2 各控制工况拱架杆件的最大应力 /MPa

表3 拱架各阶段的计算挠度 /mm

表4为6种满布荷载作用工况下三角架计算应力，计算过程偏安全考虑未考虑斜撑钢管中混凝土的协同作用。表4中立柱设计由混凝土拉应力控制，因此表4中仅列出混凝土立柱最大拉应力及钢管绝对最大应力，拱脚斜撑钢管的最大压应力为80 MPa<[σ]=140 MPa，满足规范要求。混凝土立柱最大拉应力为2.1 MPa，已接近混凝土抗拉强度标准值，建议混凝土立柱加强普通钢筋配置。

表4 各控制工况三角拱座最大/最小应力 /MPa

本拱架的承载力满足规范要求，并有一定的安全储备，为后续承担施工过程中的不均匀荷载留下足够的安全储备。实际施工中只需处理好拱架构造、斜撑钢管与桁架、立柱、平联等的连接构造，确保连接节点的局部承载力满足受力要求即可。

4.2 稳定性计算

分别对工况1～工况3进行稳定性计算分析，得到表 5所列的稳定安全系数。

表5 各工况稳定系数

底板浇筑完毕时，拱架整体稳定系数为6.44，满足拱桥稳定安全系数要求大于4～5的规范要求。各工况失稳模态均为拱架平面外失稳，建议在拱架上下游设置横向缆风索，确保拱架不产生横向偏位。

5 结 论

(1)在现有钢拱架跨度不满足施工要求时，可在拱架两端对称设置三角拱座以对现有拱架进行充分利用。

(2)采用四环五段浇筑法，合理控制分段浇筑高度及长度能保证钢拱架应力在设计允许值范围，并有较大的安全储备。

(3)三角拱座斜撑受压应力较大，采用钢管混凝土结构较为合理，大立柱受拉应力较大，施工时应采用高标号混凝土及加强普通钢筋配置。

(4)拱架上下游应设置横向缆风索，确保拱架不发生面外失稳。

[1] 顾安邦，向中富．桥梁工程[M]．2版．北京：人民交通出版社．2011．

[2] 彭文平．拱架悬拼技术与混凝土拱肋早期裂缝研究[D]．长沙：长沙理工大学，2010．

U442

B

1008-3383(2017)10-0095-02

2017-06-07

刘家奎(1987-)，男，工程师，研究方向：桥梁施工与工程智能控制。