大跨径贝雷拱架与拱圈联合承力分析

刘 俊

(保靖县交通建设质量安全监督站， 湖南 保靖 416500)

跨水域或峡谷修建大跨径拱桥，大型缆吊设备受场地条件等限制难以进驻施工场区时，选择整体性好、装配化程度高、安装方便的贝雷拱架现浇拱圈施工方案具有独特优势。由于标准贝雷桁片高度只有1.5 m，刚度较小，受力学性能制约，承荷能力有限，一般采用分带、分环加载方式，分环上多分为二环或三环，可有效减轻贝雷拱架负荷，确保贝雷拱架纵横向稳定性及施工安全。

国内许多学者对贝雷拱架在拱桥施工中应用有详细研究，文献[1]结合工程实例，介绍了贝雷架在大跨径石拱桥施工中的应用；文献[2]通过大跨度箱型拱施工实例，论述了贝雷梁在大跨度箱型拱施工中方便、灵活、快捷等应用优点；文献[3]介绍了以贝雷梁拱架为支架的拱肋分段、分环施工技术，并采用有限元仿真技术和经典力学，分析贝雷梁钢拱架在施工过程各工况下的力学性能。

主拱圈采用贝雷拱架分环加载施工过程中，先期施工的分环混凝土为环形拱结构时具有一定刚度，其刚度与贝雷拱架刚度相比不能被忽略，由此产生了新施工加载的混凝土荷载分配给已成环拱体和贝雷拱架的比例问题，即在拱架设计中如何考虑拱架与已施工成环拱体的联合作用问题。相关文献对贝雷拱架与拱圈已成环拱体联合承力的特性缺乏深入研究，本文结合甘兰坪大桥110 m跨径箱肋拱桥主拱圈采用无中间支撑贝雷拱架分三环现浇施工实例，分析主拱圈分环加载拱环与贝雷拱架联合作用中拱环的贡献程度，充分发挥拱环的作用，减少贝雷拱架用量，避免盲目分环。

1 工程概况

甘兰坪大桥为保靖迁清公路上一座新建的跨酉水河支流桥梁，为净跨径110 m钢筋混凝土箱肋拱桥，桥宽8 m，采用无中间支撑的贝雷拱架进行主拱圈现浇施工。主拱圈高度2.5 m，宽度7.2 m，分为2肋，每榀拱肋宽度3.0 m，单箱2室，采用分带、分环、分段的方法对称加载施工。每榀拱肋为一带，纵向分为12段、以拱顶为对称每半跨分为6段，主拱圈分3环施工，第1环施工高度0.5 m(包括0.3 m厚底板、0.2 m高度腹板)，第2环施工1.65 m高度腹板，第3环施工0.35 m厚度顶板。

贝雷拱架为A3钢材料，全宽7.24 m(左右侧边贝雷拱片间中距7.04 m)，贝雷架高度1.5 m，标准节段长度3.0 m，横向设置14片贝雷拱片，拱片间横向由花架连接。主拱圈施工加载分环高度尺寸如图1，分环分段加载如图2，以拱顶为对称第1环分段施工次序为1-1、1-5、1-3、1-2、1-6、1-4，第2环、第3环分段施工次序与第1环相同。

图1 主拱圈施工分环加载图(单位： cm)

图2 主拱圈施工分环分段加载图(单位：cm)

2 主拱圈成环阶段拱架受力分析

2.1 贝雷拱架材料力学特性

贝雷拱架采用A3钢材，根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JTJ 025—86)，A3钢贝雷拱片杆件容许轴向应力为140 MPa。考虑贝雷拱架多次周转使用强度折减系数0.75、容许应力提高系数1.3后，贝雷拱架强度计算采用的容许轴向应力为[σ]=140 MPa×0.75×1.3=136.5 MPa。

2.2 数值分析模型建立

采用有限元软件Midas Civil建立基于梁单元的贝雷拱架及主拱圈空间有限元模型，共建立节点9412个、梁单元19 134个；边界条件中，刚性支承96个，释放梁端约束1 092个；根据拱架设计加载程序，划分施工阶段数量49个(施工步骤)。

2.3 主拱圈第一环加载拱架受力分析

大桥主拱圈第1环加载时，施工荷载全部由贝雷拱架承担，计入拱架自重、主拱圈混凝土等施工荷载后的每片贝雷拱片计算荷载集度为6.3774kN/m，其中混凝土工程290.3m3，与钢筋共重7559.9kN，拱架整体重量约1492.1kN，自重系数取1.15，施工荷载系数取1.4。主拱圈第1环施工贝雷拱架如图3所示。

图3 主拱圈第1环施工贝雷拱架简图(单位：cm)

采用Midas Civil软件进行建模分析，主拱圈未加载前，拱架自重工况拱架轴向压应力为23 MPa,第1环施工完成，拱架轴向压应力达100 MPa，小于容许应力。主拱圈第1环加载阶段理论计算贝雷桁架杆件最大应力见表1。

表1 主拱圈第1环加载阶段拱架最大应力MPa施工阶段最大拉应力最大压应力施工阶段最大拉应力最大压应力拱架架设73-23S-1-164-65X-1-193-95S-1-284-84X-1-293-96S-1-385-89X-1-394-97S-1-485-93X-1-496-98S-1-592-93X-1-599-99S-1-692-95X-1-6100-100 表注: S-1-1为主拱圈上游第1环第1段(拱脚段)浇筑,X-1-6为主拱圈下游第1环第6段(拱顶段)浇筑。

2.4 主拱圈第2环、第3环加载拱架受力分析

采用Midas Civil软件进行建模分析，第2环施工完成，施工荷载增加12 521.6 kN，每片贝雷拱片计算荷载集度为13.953 9 kN/m，拱架轴向压应力达114 MPa；第3环施工完成，施工荷载增加5 533.5 kN，拱架轴向压应力达132 MPa。贝雷桁架杆件最大轴向拉应力与最大轴向压应力接近，拉应力、压应力均未达到贝雷桁架杆件容许轴向应力136.5 MPa。主拱圈第2环、第3环施工阶段理论计算贝雷桁架杆件最大应力见表2。

2.5 主拱圈加载阶段贝雷拱架理论计算最大轴向应力

主拱圈施工加载阶段贝雷拱架理论计算最大轴向应力汇总见表3。

表3 施工阶段拱架计算最大轴向应力汇总表MPa拱架架设第1环第2环第3环23100114132

3 工程验证

甘兰坪大桥主拱圈施工阶段拱架应力测试点布设在每榀贝雷拱架的拱顶、拱跨1/4、3/4的位置(见图4)。

图4 施工阶段拱架应力测试点布设图(单位： cm)

根据主拱圈施工监控监测记录，主拱圈未加载前，拱架自重工况拱架轴向压应力为13 MPa；施工阶段，第1环施工完成，拱架轴向压应力达108 MPa；第2环施工完成，拱架轴向压应力达125 MPa；第3环施工完成，拱架轴向压应力为106 MPa。施工阶段拱架实测最大轴向应力数据见表4，最大轴向应力汇总见表5。

表4 施工阶段拱架实测最大轴向应力MPa施工阶段最大拉应力施工阶段最大拉应力施工阶段最大压应力拱架架设-13S-1-1-12S-2-1-86S-3-1-105S-1-2-55S-2-2-86S-3-2-106S-1-3-50S-2-3-79S-3-3-105S-1-4-59S-2-4-72S-3-4-108S-1-5-60S-2-5-91S-3-5-105S-1-6-78S-2-6-86S-3-6-105X-1-1-39X-2-1-89X-3-1-104X-1-2-46X-2-2-92X-3-2-106X-1-3-49X-2-3-98X-3-3-104X-1-4-38X-2-4-97X-3-4-105X-1-5-90X-2-5-119X-3-5-107X-1-6-108X-2-6-125X-3-6-106

表5 施工阶段拱架实测最大轴向应力汇总MPa拱架架设第一环第二环第三环13108125106

4 拱架与已成环拱体联合承力分析

4.1 拱架与已成环拱体联合承力相关性

施工阶段加载拱架实测应力与拱架计算应力相关曲线见图5。

图5 施工阶段加载拱架实测应力与拱架计算应力相关曲线

通过对各个阶段应力实测值与理论值进行对比分析，可以看出：

1)拱架架设完成，拱架轴力实测值比理论值低43.5%；主拱圈第1环施工完成，拱架轴向应力实测值与容许应力限值比率为79.1%，与理论分析结果的73.3%基本一致；主拱圈第2环施工完成，拱架轴向应力实测值与容许应力限值比率为91.6%，与理论分析结果轴的83.5%基本一致；主拱圈第3环施工完成，拱架轴向应力实测值与容许应力限值比率为77.7%，远小于理论分析结果的96.7%。

2)拱架应力实测值与相应理论值的变化步调基本一致，规律性较好。同时二者也存在一定差异，这些差异基本是在施工前期阶段积累形成，加之拱架应力测试应力传感器电焊在贝雷片表面，温度因素对测量结果有一定影响。

3)主拱圈第3环施工时，拱架轴向应力减小，分段加载时拱架轴向应力基本无变化，拱架轴向应力与第1环施工最大应力基本相同，表明已施工成环的第1环与第2环拱体完全承担了主拱圈第3环施工荷载。

4)主拱圈施工过程中，拱架与拱圈联合承力在施工第2环阶段，拱架与主拱圈第1环拱体共同作用承担施工荷载。根据第2环实测拱架轴向应力反演，拱圈第2环施工时，每片贝雷拱片承荷的荷载集度为7.381 3 kN/m，第1环主拱圈拱体承荷的荷载集度为6.572 6 kN/m，拱架承担的荷载比率约为53%，主拱圈第一环拱体承担的荷载比率约为47%。

4.2 拱架与拱圈联合承力分析结论

根据理论计算、主拱圈施工加载观测结果分析，可以得出以下结论：

1)主拱圈第1环施工过程中，施工荷载全部由拱架承担。

2)加载第2环混凝土时，贝雷拱架约承担第2环施工荷载的53%～60%，第1环已成拱体约承担第2环施工荷载的40%～47%。

3)主拱圈第3环施工时，已施工成拱的第1环与第2环拱体完全承担了主拱圈第3环施工荷载，拱架已不承受施工荷载。

5 结语

通过110 m箱肋拱桥贝雷拱架理论分析及实体工程验证，对于大跨径拱桥主拱圈施工，采用贝雷拱架作支撑进行分环现浇施工是一种安全、可行的方案。明确了主拱圈在分环加载过程中拱架与已成环拱体分别承担的新加荷载比例，避免盲目加载发生拱架失稳安全事故，为科学分环提供参考。