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文檔簡(jiǎn)介

1、大跨徑鋼筋混凝土拱橋懸臂澆筑施工過(guò)程分析作者簡(jiǎn)介:胡大琳(1959),男,教授,博士,碩士生導(dǎo)師,主要研究橋梁結(jié)構(gòu)理論、結(jié)構(gòu)可靠度、橋梁結(jié)構(gòu)耐久性、橋梁抗震等。陳定市(1988),男,在讀碩士,主要研究橋梁結(jié)構(gòu)理論、橋梁抗震、橋梁結(jié)構(gòu)耐久性等。胡大琳,陳定市(長(zhǎng)安大學(xué),西安,710064)摘要:大跨徑鋼筋混凝土拱橋造型優(yōu)美和建設(shè)經(jīng)濟(jì),在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用并具有廣闊的發(fā)展前景。目前國(guó)內(nèi)大部分鋼筋混凝土拱橋采用纜索吊裝法施工,而極少采用懸臂澆筑法施工。采用斜拉索扣錨懸臂澆筑施工的拱橋有兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題:一是施工過(guò)程合理的控制張拉索力問(wèn)題,即以適當(dāng)?shù)姆椒ㄓ?jì)算和優(yōu)化各施工階段控制張拉索力,以保證施工階段

2、結(jié)構(gòu)的安全及成拱的線形和內(nèi)力滿足設(shè)計(jì)要求,并可進(jìn)一步改善成拱內(nèi)力狀態(tài);二是各施工階段的穩(wěn)定性問(wèn)題。本文總結(jié)了采用懸臂澆筑施工拱橋扣錨索力的確定方法,分析了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性,并以馬蹄河大橋(凈跨徑180m的鋼筋混凝土懸鏈線箱型拱橋)為例,對(duì)大跨徑鋼筋混凝土拱橋主拱采用斜拉索扣錨懸臂澆筑施工的全過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)分析。結(jié)果表明,采用零彎矩法對(duì)拱橋懸臂澆筑進(jìn)行施工階段索力調(diào)整容易實(shí)現(xiàn)各施工階段的內(nèi)力(或應(yīng)力)及線形控制目標(biāo),成功解決了拱橋采用懸臂澆筑施工階段分析的關(guān)鍵問(wèn)題。另外采用該工法施工的拱橋施工階段的穩(wěn)定性與扣錨索系統(tǒng)的關(guān)系密切,合理的扣錨索系統(tǒng)不僅可以控制拱圈的內(nèi)力和線形,也可以控制施工

3、階段的穩(wěn)定性。關(guān)鍵詞:鋼筋混凝土拱橋;斜拉扣錨;懸臂澆筑;索力優(yōu)化;穩(wěn)定性Analysis of Long Span Reinforced Concrete Arch Bridge in Cantilever Casting Construction ProcessHU Dalin, CHEN Dingshi(Changan University, Xian, 710064)Abstract: Long span reinforced concrete arch bridges have been widely used in China and abroad, and have broad

4、prospects of development with the beautiful shape and economic benefits. At present most of reinforced concrete arch bridges are constructed with cable-hoisting erection method and few with the cantilever casting method in China. Two critical problems need to be solved if reinforced concrete arch br

5、idge is constructed with cable stayed cantilever casting method: the first is to control the reasonable cable force in the construction process, this means appropriate method should be used to calculate and optimize the cable force of each construction stage to ensure the structure safety, alignment

6、 and internal force of main arch and meet the design requirements, further more internal force state of the arch can be improved. The second is to ensure the structure stability of each construction stage. In this paper the methods used to calculate the cable force are summarized, and the advantages

7、 and disadvantages and the applicability of these methods are analyzed. Matihe Bridge (catenary reinforced concrete box arch bridge with clear span of 180m) is taken as engineering background and the main construction process of long span arch bridge built with cable stayed cantilever casting method

8、 is analyzed in detail. The results show that, zero bending moment method used to adjust the cable force is easy to realize control target of internal force (or stress) and alignment in the construction stage, and the key problem of arch bridge constructed with cantilever casting method is successfu

9、lly solved. In addition, the stability of arch bridge in construction phase with cantilever casting method is closely related to the cable stayed system, which can be used to control the internal force and alignment, as well as the stability in construction stage.Keywords: Reinforced concrete arch b

10、ridge; cable stayed; Cantilever casting; Cable force optimization; Stability0 引言近年來(lái)拱橋斜拉扣錨懸臂澆筑施工在國(guó)內(nèi)外得到迅速發(fā)展,修建范圍遍及世界,修建數(shù)量增多、跨徑不斷增大17。拱橋懸臂澆筑迅速發(fā)展的原因有兩個(gè)方面:一是高強(qiáng)度新材料8的發(fā)展,超靜定結(jié)構(gòu)分析理論的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)計(jì)算技術(shù)和模型試驗(yàn)的發(fā)展;二是拱橋本身所具有的優(yōu)越性,即結(jié)構(gòu)性能好(抗風(fēng)、抗震性能好),可采用懸臂施工工藝、施工時(shí)不防礙通航,造價(jià)相對(duì)便宜,易于養(yǎng)護(hù),外形輕巧美觀9等。由于拱橋結(jié)構(gòu)本身所具有的優(yōu)越性,拱橋?qū)⒗^續(xù)保持大跨度橋梁主要競(jìng)爭(zhēng)者的地位

11、10,11。隨著我國(guó)交通事業(yè)的不斷發(fā)展,橋梁結(jié)構(gòu)不斷向輕質(zhì)高強(qiáng)、大跨的方向發(fā)展。針對(duì)我國(guó)西部山區(qū)交通建設(shè)的實(shí)際情況,多數(shù)公路需穿越高山、深谷,大跨度鋼筋混凝土拱橋在技術(shù)經(jīng)濟(jì)上與其它橋型相比具有較明顯的優(yōu)勢(shì)。開(kāi)展山區(qū)拱橋建設(shè)的新工藝研究具有現(xiàn)實(shí)意義。分段懸臂澆筑拱圈的施工方法在經(jīng)濟(jì)上較為節(jié)省,且具有結(jié)構(gòu)整體性好、外形美觀、后期維護(hù)少等優(yōu)勢(shì);具有施工方便、受施工場(chǎng)地限制少的優(yōu)點(diǎn)12,13,所以拱橋斜拉扣錨懸臂澆筑施工在我國(guó)有廣闊的前景。拱橋主拱懸臂施工中是一種由索、塔、拱圈三種基本構(gòu)件組成的組合結(jié)構(gòu)。懸臂施工中索、塔、拱圈均為承重構(gòu)件,并借助斜拉索組合成整體結(jié)構(gòu)。拱橋懸臂施工的主要特點(diǎn)是利用由索塔

12、引出的斜拉索作為拱圈的彈性中間支承,斜拉索加強(qiáng)了主拱的剛度,形成多點(diǎn)彈性支承的拱圈,以降低拱圈的截面彎矩,從而改善結(jié)構(gòu)施工階段的受力狀態(tài)。斜拉索的水平分力對(duì)主拱產(chǎn)生的軸向預(yù)施壓力的作用可以增強(qiáng)拱圈的抗裂性能,節(jié)約鋼材的用量。此外,施工完成后斜拉索將被拆除,由拱作為主要的承壓結(jié)構(gòu),即拉索僅作為臨時(shí)承重結(jié)構(gòu)。拱橋懸臂施工期間,拉索的索力將會(huì)影響拱圈截面應(yīng)力和拱軸線形,由于混凝土抗壓強(qiáng)度高而抗拉強(qiáng)度很低,因此,在懸臂澆筑期間阻止拱圈產(chǎn)生過(guò)大的拉應(yīng)力是首要目標(biāo),因此合理的控制張拉索力尤為重要。為了控制拱圈截面產(chǎn)生過(guò)大的拉應(yīng)力,可以調(diào)整應(yīng)力過(guò)大截面附近拉索的索力,而拱軸線形也需要通過(guò)設(shè)置預(yù)拱度和調(diào)整拉索

13、的索力加以控制。因此,采用懸臂施工的拱橋內(nèi)力和線形依賴于斜拉索拉力14,15。通過(guò)調(diào)整拉索力和采取適當(dāng)?shù)乃伤鞣桨福梢赃_(dá)到調(diào)整拱圈結(jié)構(gòu)內(nèi)力與線形的目的,保證懸臂施工階段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全,并到達(dá)預(yù)期的線形。由于合攏前后結(jié)構(gòu)體系發(fā)生轉(zhuǎn)變,懸臂施工中扣索力與成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)恒載內(nèi)力與線形產(chǎn)生有密切的關(guān)系,并且隨著后續(xù)結(jié)構(gòu)的完成至最終成橋,結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與線形已難以人為調(diào)整。所以扣索力還與成橋狀態(tài)有關(guān),適當(dāng)調(diào)整扣索力可以改善成橋拱圈內(nèi)力狀態(tài)與線形。綜上,扣索力不僅直接影響懸臂階段結(jié)構(gòu)內(nèi)力與線形,還將影響成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)受力。以施工階段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與累計(jì)變形達(dá)到理想成橋狀態(tài)為控制目標(biāo),對(duì)采用斜拉扣錨懸臂施工的拱橋進(jìn)行合理扣

14、索力的分析具有十分重要的意義。1 斜拉扣錨懸臂施工索力調(diào)整方法1.1 零位移法16零位移法的基本原理是:按照正裝分析的方法分析,計(jì)算時(shí)在扣索端部設(shè)置約束,根據(jù)每階段各個(gè)約束反力為零的條件,利用節(jié)點(diǎn)力平衡條件、力的獨(dú)立作用原理和迭加原理等力學(xué)法則,求得各扣索在每階段的索力值。其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算原理簡(jiǎn)單明確、力學(xué)概念清晰,每階段無(wú)需設(shè)置預(yù)抬高值,適用于節(jié)段之間各種連接方式。設(shè)拱圈施工過(guò)程中共有根扣索,控制量為個(gè)扣點(diǎn)的位移。當(dāng)?shù)诟魇┘訂挝粡埨r(shí),第個(gè)扣點(diǎn)的位移為,則任意扣點(diǎn)的總位移為: (1)式中:為第個(gè)扣點(diǎn)豎向或橫橋向位移;為恒載作用下扣點(diǎn)豎向或橫橋向位移;為扣索索力。在零位移法中,由于拱圈節(jié)段各扣

15、點(diǎn)的約束水平反力增量與約束豎向反力增量比例無(wú)法保持一致,因此約束反力合成的索力增量方向不斷變化,但施工中扣索的水平傾角基本不變,從而使得計(jì)算的索力作用于拱肋后不能保證拱肋的線形符合設(shè)計(jì)要求;當(dāng)實(shí)際施工線形與理想線形存在偏差時(shí),也不能通過(guò)該方法求出調(diào)整線形索力的實(shí)時(shí)調(diào)整量;這種方法求出的索力只能保證扣點(diǎn)處的高程滿足設(shè)計(jì)要求,而其他位置的高程無(wú)法控制,可能會(huì)出現(xiàn)比較大的偏差幅度,而且線形偏差呈多波浪形;通過(guò)約束反力合成的索力可能出現(xiàn)負(fù)值,此時(shí)所求索力將無(wú)效。1.2 零彎矩法17零彎矩法就是通過(guò)張拉扣索,人為地調(diào)整扣索索力,使拱肋各節(jié)段在接頭處的彎矩為零,最重要是保證拱腳處不產(chǎn)生附加彎矩,確保懸臂澆

16、筑合龍時(shí)拱腳不產(chǎn)生彎矩應(yīng)力。該方法的主要特點(diǎn)是力學(xué)概念清楚,計(jì)算簡(jiǎn)便,適宜編程,而且可以計(jì)算任意多組扣索索力,并且接頭不論鉸接還是固結(jié)均適用。零彎矩法的基本原理就是根據(jù)每一隔離體(拱圈節(jié)段)力系平衡計(jì)算出在任一施工階段每根扣索的索力值,計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示。假設(shè)每段拱圈的剛度相對(duì)于扣索剛度為很大(視為剛體);忽略扣索非線性和自重對(duì)拱圈的影響,拱圈的側(cè)向纜風(fēng)對(duì)扣索的影響計(jì)算時(shí)也不予考慮,對(duì)隔離體取有: (2)求得扣索索力為: (3)式中:節(jié)段重力對(duì)接頭A力矩;作用在接頭B上的豎向力和水平力,如掛籃荷載、濕重等;節(jié)段的水平投影長(zhǎng)度和豎直投影長(zhǎng)度;作用在隔離體上的其它荷載;距接頭A的水平距離;扣索張拉

17、力;扣索水平傾角。圖 1 零彎矩法計(jì)算示意圖1.3 定長(zhǎng)扣索法定長(zhǎng)扣索法的基本概念是:按倒退分析法確定各扣索的放樣長(zhǎng)度,依靠扣索的彈性伸長(zhǎng)使拱肋達(dá)到設(shè)計(jì)軸線位置16。其優(yōu)點(diǎn)是各扣索的索力相對(duì)比較均勻,扣索一次張拉后不需再次張拉或松弛調(diào)整,因此便于施工。應(yīng)用此法的關(guān)鍵是拱圈預(yù)抬高量的計(jì)算和扣索在第一次張拉時(shí)索力的控制。相對(duì)于拱圈截面剛度,扣索的剛度很小,可以視拱圈為剛體,即在拱圈澆筑(架設(shè))過(guò)程中可以認(rèn)為拱節(jié)段只有剛體位移,其本身的彈性變形可以忽略不計(jì)。剛體位移主要由扣索的彈性伸長(zhǎng)、塔架位移以及纜風(fēng)索等索力作用下引起的彈性變形所致。應(yīng)用此種方法的主要思想是只要已知上一節(jié)段的控制高程,通過(guò)幾何關(guān)系

18、就能唯一確定下一節(jié)段的控制高程,在整個(gè)施工過(guò)程中,不管任意狀態(tài)是否在設(shè)計(jì)軸線上,它都能滿足拱圈軸線線形。定長(zhǎng)扣索法是先計(jì)算出各節(jié)段拱圈的預(yù)抬高量值,張拉控制索力是根據(jù)各節(jié)段的控制高程來(lái)確定的,其控制變量主要是位移,而非對(duì)拱肋內(nèi)力和索力進(jìn)行控制。由于扣索索力與預(yù)抬高值滿足拱軸線的組合很多,用定長(zhǎng)扣索法求出的組合不能保證一定是結(jié)構(gòu)最優(yōu)的施工路徑。1.4 影響矩陣法拱橋懸臂澆筑施工扣索索力的計(jì)算類似于斜拉橋施工索力計(jì)算,不同的是前者不存在成橋索力,但施工扣索索力計(jì)算同樣應(yīng)考慮成橋狀態(tài),可以參考斜拉橋施工索力計(jì)算方法。先擬定一合理成拱狀態(tài),由正裝、倒拆等分析方法求得扣索的索力值。關(guān)于斜拉橋合理成橋索力

19、計(jì)算方法可以歸結(jié)為四大類,即指定受力狀態(tài)的索力化法(如剛性支承連續(xù)梁法、零位移法、內(nèi)力應(yīng)力平衡法等)、無(wú)約束索力優(yōu)化法(如最小彎曲能量法、最小彎矩法等)、有約束索力優(yōu)化法(如用索量最小法、分部算法等)、影響矩陣法。實(shí)際上剛性支承連續(xù)梁法、內(nèi)力或應(yīng)力平衡法、最小彎曲能量法、用索量最小法等均可用影響矩陣的形式來(lái)表示,均可歸結(jié)為影響矩陣法。其基本原理是如果結(jié)構(gòu)滿足線性疊加原理,則有: (4)式中:C為影響矩陣;X為施調(diào)向量;D為受調(diào)向量。影響矩陣中元素可對(duì)應(yīng)于內(nèi)力、應(yīng)力、位移等力學(xué)量中的一個(gè),形成影響矩陣就是求出所有施調(diào)元素的影響向量。綜上分析,零位移法是以拱肋位移為控制目標(biāo),零彎矩法是以拱肋內(nèi)力為

20、控制目標(biāo),定長(zhǎng)扣索法主要也是以拱肋位移為控制變量,而影響矩陣法的控制變量則具有多樣化。四種方法各有利弊,均可用于懸臂澆筑或懸臂拼裝的主拱施工過(guò)程中,而影響矩陣法適用于最大懸臂狀態(tài)索力優(yōu)化。2 工程實(shí)例簡(jiǎn)介馬蹄河大橋主橋?yàn)榈冉孛鎽益溇€鋼筋混凝土拱橋,分左右兩幅設(shè)計(jì),且受力獨(dú)立。主拱凈跨徑180m,凈矢高32m,凈矢跨比1/5.625,拱軸系數(shù)1.988。主拱圈采用單箱雙室截面,高3.3m,寬7.5m。主拱對(duì)稱分為14個(gè)節(jié)段,跨中合攏段長(zhǎng)2m,共29個(gè)節(jié)段。拱腳采用支架現(xiàn)澆施工,合攏段采用吊架施工,其余節(jié)段采用斜拉扣錨懸臂澆筑施工,拱圈混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50,橋梁設(shè)計(jì)荷載為公路-I級(jí),橋梁立面如圖

21、2所示。圖 2 馬蹄河大橋立面圖(單位cm)3 計(jì)算模型和施工階段劃分馬蹄河大橋主拱圈采用斜拉索扣錨掛籃懸臂澆筑施工,首先搭設(shè)扣塔、支架進(jìn)行第一節(jié)段的施工,待第一節(jié)段混凝土強(qiáng)度達(dá)到85%后,張拉1#扣錨索、安裝掛籃進(jìn)行第2節(jié)段的施工,節(jié)段2節(jié)段14利用掛籃進(jìn)行懸臂澆筑施工。因該橋結(jié)構(gòu)左右不對(duì)稱,故需建立整個(gè)主拱圈模型進(jìn)行分析。在施工階段計(jì)算時(shí)利用MIDAS激活和鈍化功能建立全橋計(jì)算模型,并考慮混凝土收縮、徐變效應(yīng)和結(jié)構(gòu)P-效應(yīng)。懸臂澆筑施工的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖3所示,扣索按Ernst公式修正彈性模量的桁架單元模擬,其它構(gòu)件采用梁?jiǎn)卧M,其中扣塔結(jié)構(gòu)部分單元釋放梁端約束。主拱圈施工階段的劃分由表

22、1給出。圖 3 主拱圈施工階段計(jì)算模型表 1 主拱圈懸臂澆筑施工階段劃分施工階段號(hào)施工內(nèi)容施工天數(shù)1施工基礎(chǔ)及墩身902支架施工1#塊153張拉1#扣、錨索04安裝掛籃(包括綁扎鋼筋等工序)25懸澆2#塊96張拉2#扣、錨索07移動(dòng)掛籃(包括綁扎鋼筋等工序)28懸澆3#塊93*I(I=3-4)張拉I#扣、錨索03*I+1(I=3-4)移動(dòng)掛籃(包括綁扎鋼筋等工序)23*I+2(I=3-4)懸澆I+1#塊915拆除1號(hào)扣、錨索03*I+1(I=5-7)張拉I#扣、錨索03*I+2(I=5-7)移動(dòng)掛籃(包括綁扎鋼筋等工序)23*I+3(I=5-7)懸澆I+1#塊925拆除3號(hào)扣、錨索026張拉8

23、#扣、錨索027移動(dòng)掛籃(包括綁扎鋼筋等工序)228懸澆9#塊929拆除5號(hào)扣、錨索03*I+3(I=9-10)張拉I#扣、錨索03*I+4(I=9-10)移動(dòng)掛籃(包括綁扎鋼筋等工序)23*I+5(I=9-10)懸澆I+1#塊936張拉11#扣錨索037拆除7號(hào)扣、錨索038移動(dòng)掛籃(包括綁扎鋼筋等工序)239懸澆12#塊93*I+4(I=12-13)張拉I#扣、錨索03*I+5(I=12-13)移動(dòng)掛籃(包括綁扎鋼筋等工序)23*I+6(I=12-13)懸澆I+1#塊946張拉14#扣、錨索047拆除掛籃148安裝吊架249合攏段施工250分級(jí)拆除扣、錨索44 主拱施工過(guò)程索力控制4.1

24、合理施工狀態(tài)的索力確定為了求解扣、錨索的索力值,控制條件應(yīng)該取位移和應(yīng)力的最大、最小值和“0”值,變量取為特定扣、錨索的拉力。對(duì)于斜拉扣錨懸臂澆筑施工的拱橋一般需滿足以下控制條件: 扣塔不受或只受較小的彎矩作用或塔頂水平位移滿足限值; 主拱圈的應(yīng)力不超限; 索力不能集中在某幾個(gè)拉索上,而應(yīng)該適量分配到每根拉索中; 各扣點(diǎn)的豎向位移應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。本文采用零彎矩法進(jìn)行分析,控制各扣點(diǎn)豎向位移為。由于各節(jié)段間采用固結(jié)連接,主拱線形一旦成形就難以調(diào)整,故主拱位形宜高不宜低。在采用上述方法獲得索力后按正裝分析獲取各施工階段位移和應(yīng)力,根據(jù)實(shí)際情況做適當(dāng)調(diào)整即可獲得滿意的施工控制張拉索力,此時(shí)控制拱

25、圈截面上下緣拉應(yīng)力在1.5左右。計(jì)算時(shí)先假定扣塔為剛性或扣塔給扣索以剛性支撐,然后以扣、錨索水平分力相等或扣塔上支撐反力的合力等于錨索索力的原則確定錨索索力,實(shí)踐證明,該法簡(jiǎn)單可行。限于篇幅,下面僅給出沿河岸扣索索力計(jì)算結(jié)果,如圖4所示。a)13號(hào)扣索各施工階段張拉力 b)46號(hào)扣索各施工階段張拉力c)79號(hào)扣索各施工階段張拉力 d)1014號(hào)扣索各施工階段張拉力圖 4 各施工階段控制張拉索力由圖4可見(jiàn),各施工階段索力分布有其規(guī)律性,除拆除扣錨索和澆筑的階段需較多的調(diào)整索力外,其它階段除懸臂端需要增大索力外,其他扣索索力幾乎不變或僅需微調(diào),這樣就大大降低了施工工序和調(diào)索工作量,這就是采用零彎矩

26、法的最大優(yōu)點(diǎn)。另外,整個(gè)施工過(guò)程中,各扣錨索的索力變化基本都是先增大然后逐漸放松的過(guò)程。4.2 各施工階段控制斷面的應(yīng)力分析在上述控制索力作用下,拱圈各扣點(diǎn)截面上下緣應(yīng)力如圖5圖9所示,整個(gè)施工過(guò)程中,拱腳截面上下緣應(yīng)力如圖10所示。由圖可見(jiàn),整個(gè)施工過(guò)程各控制截面上、下緣拉應(yīng)力最大值為1.58,大多數(shù)節(jié)點(diǎn)處于“0”應(yīng)力狀態(tài),滿足施工控制要求,且隨工的進(jìn)展,上下緣應(yīng)力圖呈現(xiàn)先交錯(cuò)、分離后再交錯(cuò)的形狀,且整體降低的趨勢(shì),拱圈由部分受拉進(jìn)入全截面受壓狀態(tài),這是非常合理的。 圖 5 扣點(diǎn)3施工過(guò)程截面應(yīng)力 圖 6 扣點(diǎn)5施工過(guò)程截面應(yīng)力 圖 7 扣點(diǎn)7施工過(guò)程截面應(yīng)力 圖 8 扣點(diǎn)9施工過(guò)程截面應(yīng)力

27、 圖 9 扣點(diǎn)14施工過(guò)程截面應(yīng)力 圖 10 拱腳截面施工過(guò)程應(yīng)力4.3 最大懸臂狀態(tài)索力優(yōu)化斜拉橋可以通過(guò)成橋后的索力調(diào)整得到其合理成橋狀態(tài),并可以合理成橋狀態(tài)為初始狀態(tài)進(jìn)行倒拆分析,計(jì)算出任意施工階段的索力。而拱橋施工中的扣索為臨時(shí)索,拱圈合龍后即拆除,所以無(wú)法直接得到其合理成橋狀態(tài)。然而當(dāng)拱橋結(jié)構(gòu)形式及施工過(guò)程確定之后,恒載作用下的成橋內(nèi)力可由合龍前的索力確定,即可以以合龍前為初始狀態(tài)進(jìn)行正裝分析計(jì)算;另外,還可以以合龍前的結(jié)構(gòu)狀態(tài)為初始狀態(tài)進(jìn)行倒拆分析,進(jìn)而確定各澆筑階段扣索的索力18。因此,合攏前的索力調(diào)整可有效地改變拱圈的內(nèi)力分布,使其受力處于更加合理狀態(tài)。本文以MIDAS程序提供

28、的基于影響矩陣的未知荷載系數(shù)法建立優(yōu)化模型進(jìn)行了分析,優(yōu)化后的索力見(jiàn)前述索力圖中相應(yīng)的最大懸臂施工階段。5 施工過(guò)程穩(wěn)定性分析主拱圈施工過(guò)程除了應(yīng)力和線形滿足設(shè)計(jì)要求外,為保證施工過(guò)程的安全,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問(wèn)題不可忽視19。本文定義拱圈達(dá)到穩(wěn)定承載力的總荷載記為,其中為此階段施工前已作用在拱圈結(jié)構(gòu)上的荷載,為本階段施工作用的外荷載,則為穩(wěn)定安全系數(shù)。馬蹄河大橋主拱施工過(guò)程靜力彈性穩(wěn)定分析結(jié)果如圖11所示。由圖可知整個(gè)施工過(guò)程拱圈的穩(wěn)定安全系數(shù)呈下降趨勢(shì),而當(dāng)主拱合龍后,穩(wěn)定安全系數(shù)相對(duì)之前的幾個(gè)階段有較大增加。最大懸臂施工階段的索力經(jīng)過(guò)優(yōu)化后,穩(wěn)定安全系數(shù)最小的階段為懸澆施工的14階段,而并非最大

29、懸臂狀態(tài),這表明采用斜拉扣錨懸臂施工的拱橋,施工階段的穩(wěn)定性與扣錨索系統(tǒng)及扣索的拉力關(guān)系密切,因?yàn)榭鬯鳛槭┕るA段的臨時(shí)結(jié)構(gòu)提供了足夠的支承剛度。圖 11 施工過(guò)程穩(wěn)定安全系數(shù)6 扣、錨索系統(tǒng)拆除順序分析主拱圈合攏之后,需要拆除塔架、臨時(shí)扣、錨索以完成主拱結(jié)構(gòu)的體系轉(zhuǎn)換。為保證拱圈的安全性,應(yīng)該按一定的順序?qū)ΨQ分級(jí)進(jìn)行拆除20,一般拆除索力是按照從拱頂?shù)焦澳_的順序,一根索可分兩次進(jìn)行拆除,第一次使其索力卸載到成拱索力的50%,第二次再進(jìn)行完全卸載。為了說(shuō)明拆除順序?qū)叭Φ挠绊?,分析時(shí)考慮兩種方案:方案1為從拱頂至拱腳按順序拆除;方案2為從拱腳至拱頂按順序拆除。分析過(guò)程中選拱頂截面、1/4拱圈截面

30、和拱腳截面作為控制斷面,計(jì)算每個(gè)施工階段主拱控制斷面的內(nèi)力和應(yīng)力情況,對(duì)于兩種拆除方案,每個(gè)施工階段主拱控制斷面上、下緣的應(yīng)力變化如圖12和圖13所示(圖中拉應(yīng)力為正,壓應(yīng)力為負(fù))。由圖可知,扣、錨索的不同拆除順序?qū)Ω魇┕るA段控制斷面的應(yīng)力影響較大。所以為了保證扣、錨索拆除過(guò)程中主拱圈結(jié)構(gòu)的安全,建議采用方案1(即從拱頂至拱腳的順序)進(jìn)行扣、錨索的拆除。圖 12 方案1下各控制斷面應(yīng)力變化 圖 13 方案2下各控制斷面應(yīng)力變化7 結(jié)語(yǔ)本文以馬蹄河大橋?yàn)槔龑?duì)大跨徑鋼筋混凝土拱橋主拱懸臂澆筑施工的全過(guò)程進(jìn)行了分析,包括各施工階段控制索力的計(jì)算和優(yōu)化及各施工階段的穩(wěn)定性分析,并探討了扣錨索系統(tǒng)的卸載

31、程序,根據(jù)分析結(jié)果可以得出如下結(jié)論:1)采用斜拉扣錨懸臂澆筑施工的拱橋各施工階段扣索索力可按零彎矩法確定,可根據(jù)扣錨索水平分力相等的原則確定錨索的索力;2)采用零彎矩法進(jìn)行索力調(diào)整,可使主拱大多數(shù)節(jié)點(diǎn)處于“0”彎矩狀態(tài),隨著施工的進(jìn)展,上下緣應(yīng)力圖整體呈下降趨勢(shì),拱圈由部分受拉逐漸進(jìn)入全截面受壓狀態(tài);3)扣錨索系統(tǒng)是采用斜拉扣錨懸臂澆筑施工的關(guān)鍵,合理的扣錨索系統(tǒng)及其張拉力直接關(guān)系到施工過(guò)程的安全與穩(wěn)定,并可以改善主拱施工過(guò)程及成拱的內(nèi)力狀態(tài);4)采用斜拉扣錨懸臂澆筑修建拱橋主拱施工階段的穩(wěn)定性與其他工法施工的拱橋不同,這是由于扣錨索系統(tǒng)為施工中的拱圈提供了較大的支承剛度;5)最大懸臂狀態(tài)是索

32、力調(diào)整的最后階段,也是成拱的前一個(gè)階段,對(duì)最大懸臂狀態(tài)進(jìn)行索力優(yōu)化有利于各澆筑階段索力的確定,也有利于拱圈成拱內(nèi)力的調(diào)整;6)扣錨索系統(tǒng)拆除順序?qū)Τ晒暗膽?yīng)力影響較大,為確保成拱后的拱圈應(yīng)力狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求或改善成拱應(yīng)力狀態(tài),應(yīng)對(duì)扣錨索卸載程序進(jìn)行優(yōu)化。參考文獻(xiàn)(References)1 Chen, B.C. 2007. An overview of concrete and CFST arch bridges in China (invited lecture). Proceedings of the 5th International Conference on Arch Bridges,

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