大跨度实心板拱桥悬拼钢拱架设计与应用.pdf
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1、科技创新与生产力 2023 年第 44 卷第 10 期1拱桥施工概述云贵地区拱桥施工较为常见,拱桥设计形式多样,结合周边环境、地势地貌等因素,拱桥设计及施工技术逐渐成熟。尤其是我国大跨度拱桥施工及应用,从南盘江、北盘江拱桥施工建设中积累了丰富的拱桥施工经验。拱桥施工由于其地理环境复杂,跨河流、峡谷对施工场地及各类施工条件提出了更高的要求,在复杂的施工环境下,如何选择拱桥的施工方案是施工中的重点。拱桥施工从开始的土模法发展到现在的支架现浇、悬臂浇筑施工等施工工法,施工过程中的各种新工艺、新工装、新材料应用也作为拱桥施工的配套同步发展。拱桥支架现浇分为两种形式:若地势允许,跨越河流或峡谷地势不高,
2、水位常年稳定,可采用落地式现浇支架方案;反之则采用悬拼钢拱架现浇方案。施工方案选择必须结合周边环境、拱桥浇筑重量、施工工期等综合因素1。本文分析了支架现浇及悬臂浇筑各工法的优缺点,结合同类工程施工经验,选择悬臂拼装钢拱架现浇施工方案。悬臂拼装钢拱架设计为标准节段,可采用架设缆索吊或安装施工塔吊对钢拱架进行悬臂安装,钢拱架安装完成后进行支架预压,形成预压成果报告,对拱脚预拱度、拱桥线性进行预控和分析,合理安排拱桥混凝土浇筑顺序,顺利完成了实心板拱桥的浇筑,支架结构稳固,通过调整标准段安装线性,现场加工合龙段钢拱架,可适用于60耀120 m 跨度拱桥浇筑2。2工程重难点分析2.1工程概况贵州水利工
3、程,标段内渠道共计 11 段,包括渡槽、倒虹管、隧洞及相应的压力输水管工程,其中渠道工程中包含拱桥施工,拱圈采用混凝土浇筑,拱圈上部采用混凝土排架结构,排架顶部为输水管道。本文中案例工程管桥设计跨度为 65 m,矢高13 m,矢跨比为 1/5,拱轴系数 1.367,设计预拱度10 cm,按照二次抛物线法设置预拱度。底部拱圈采用板拱结构,断面为实心矩形混凝土结构,断面尺寸 1.3 m伊5.0 m。其中,拱圈及排架结构基础采用C40 混凝土,其余结构均采用 C30 混凝土,拱圈结构分两次浇筑完成,待强度及弹性模量达到设计强度后浇筑顶部排架结构基础,排架结构浇筑过程中预留现浇渡槽预埋件。2.2重难点
4、分析拱桥悬臂钢拱架安装过程中,各拉索索力控制及交底控制为拱架安装的重难点,其线性控制的精准性决定了拱桥后期现浇线性控制。如何合理地设置张拉索的角度,调整钢拱架安装精度是钢拱架施工的难点。钢拱架设计除满足其强度、刚度、稳定性的要求外,还要求对钢拱架标准节段之间的连接进行专项设计,钢拱架合龙后要保证节段之间传力稳固,不变形,其节点满足精度高、节段连接强度高等要求。本文通过钢拱架设计解决了线性控制及连接难题,通过支架预压及后期混凝土浇筑控制,取得了良好的应用效果。收稿日期:2022原10原31曰修回日期:2022原11原25作者简介:陈秀萍(1986),女,内蒙古赤峰人,高级工程师,主要从事桥梁工程
5、、科技创新管理研究,E-mail:。大跨度实心板拱桥悬拼钢拱架设计与应用陈秀萍摘要:拱桥施工受到地形约束,可采用现浇或悬臂浇筑,施工方案选择对拱桥施工质量至关重要。本文介绍了贵州地区拱桥施工方案比选,分别论证落地支架现浇、悬臂浇筑、悬拼拱架现浇 3 种方案的优缺点,重点对拱桥中悬臂拼装钢拱架方案进行撰写。对悬拼拱架设计方案,从构造设计、结构强度、刚度及大跨度拱架稳定性方面进行分析。完成了大跨度实心板拱桥悬拼安装钢拱架现浇拱桥的施工,从拱架设计、安装到应用总结施工经验,为类似工程提供参考。关键词:实心板拱桥;悬臂拼装钢拱架;拱桥现浇;屈曲分析中图分类号:U445.4文献标识码:ADOI:10.3
6、969/j.issn.1674-9146.2023.10.120(中铁建安工程设计院有限公司,陕西西安710061)文章编号:1674-9146渊圆园23冤10原120原04科 技 创 新 与 生 产 力SCI-TECH INNOVATION&PRODUCTIVITY第 44 卷第 10 期2023 年 10 月Vol.44No.10Oct.20233悬拼钢拱架现浇设计3.1现浇支架方案介绍及优缺点分析3.1.1方案一:贝雷梁落地支架现浇设计方案拱架结构从上向下依次为 1.5cm 竹胶板、10cm伊10 cm 纵向方木、上 I10(mm)分配横梁、盘扣支架、下 I10(mm)分配横梁、321
7、型贝雷纵梁(上下加强弦杆)、2I40a(mm)横梁、渍530 mm伊10 mm钢管墩。贝雷片布置 10 片,布置形式为每两片通过 45 cm 支撑架连成一组,共 5 组,每组支架间距为 60 cm,10 cm伊10 cm 方木纵梁间距为 20 cm,盘扣架最大步距为 150 cm,横向间距 90 cm,纵向间距 120 cm,钢管之间采用 14(mm)槽钢做连接系,起到稳定作用。优点在于结构稳固,线性控制较容易;缺点是用钢量较大。3.1.2方案二:贝雷梁悬拼钢拱架设计方案贝雷梁悬拼钢拱架,拱圈混凝土采用支架现浇施工工艺,支架采用钢拱伊支架,主要构件为贝雷片加长短接头组合而成,横向联系采用槽钢及
8、角钢,贝雷片沿桥面横向布置为 20 片,桥跨方向为40 片,共 800 片贝雷片。此方案优点在于贝雷梁为市场较为常见材料,取材方便,加工过程简单;缺点在于贝雷梁异性节段需要加工制作,成本较高,施工周期具有不确定性,需要论证租赁还是采购贝雷梁进行比选,由于拱桥跨度不同,因此材料周转性不强。3.1.3方案三:可调式悬拼钢拱架设计方案可调式悬拼钢拱架采用桁架结构体系设计,加工为标准节段,方便运输及现场悬臂拼装,受力结构包括上下弦杆采用 2L200 mm伊125 mm伊18 mm 角钢,标准节段根据现场应用采用 4 m 一节,中间合龙段现场根据宽度加工。弦杆中间桁架竖杆件采用2L70 mm伊5 mm
9、角钢。各杆件之间通过节点板进行焊接。标准段宽度 700 mm,横向连接风架纵向3 片为一个单元。可调式悬拼钢拱架设计重点为标准节段之间的阴阳接头,结构形式必须满足现场悬臂拼装要求,按照铰接形式进行设置,仅对其平东进行约束,满足现场快速定位拼装及合理调整线性的需求。标准节段上下弦杆采用销子连接并固定。销子直径 49.5 mm,销孔直径 50 mm。保证标准节段 可 按 照 销 子 转 动 调 解 线 性。销 子 材 质 为30CrMnTi 钢。悬拼钢拱架安装必须采用缆索吊或者塔吊及其他吊装设备辅助安装,设备选型根据现场地势条件进行,若采用缆索吊装,缆索吊设计荷载必须考虑最终阶段吊装重量。安装过程
10、中严格控制其线性要求,斜拉索角度必须能满足其线性整体调整要求。通过对以上 3 个现浇支架方案的介绍及优缺点的阐述,本项目选择方案三进行后续施工。3.2方案三钢拱架结构检算3.2.1拱架最不利工况及荷载取值拱圈混凝土施工步骤为:混凝土板拱厚度为1.3 m,分为 2 层浇筑,第一层浇筑 45 cm,第二层浇筑 85 cm。纵向平均分为 5 个节段,均对称浇注。第一步,对称浇筑拱脚段底板混凝土,弧长为14.32 m;第二步,浇筑拱顶段底板混凝土,弧长为14.32 m;第三步,对称浇筑拱腰段底板混凝土,弧长为 14.32 m;重复上述 3 个施工步骤对拱圈混凝土进行施工。钢拱架拼装完成后,浇筑拱圈混凝
11、土施工步骤较为繁多,因此计算选择了几个较为特殊的施工工况,包括最不利工况,满足以下施工工况条件,其他施工工况则全部满足要求3。工况一:根据混凝土浇筑顺序,首先浇筑拱脚混凝土,考虑荷载包括悬拼拱架自重、木荷载自重加施工活荷载,对称拱脚段底板混凝土自重(第一层浇筑重量)。工况二:拱脚段混凝土浇筑完成后,拱顶进行压重,保证拱圈线性可控,除了考虑工况一荷载工况外还增加拱顶混凝土自重(第一层浇筑重量)。工况三:拱腰混凝土浇筑进一步保证拱圈线性稳定,除工况二荷载以外,增加拱脚部分混凝土重量,整个拱圈第一层(按照 0.65 m 考虑偏于保守)全部浇筑完成。拱脚采用软件整体建模,考虑节点间弯矩释放,结构有限元
12、线性理论分析,稳定性采用屈曲分析,静力分析过程中不考虑横向连接作用,拱圈混凝土高度 130 cm,分两次浇筑。第一次浇筑45 cm,拱圈计算荷载取 65 cm,计算偏于保守,计算过程中不考虑温度对位移和应力影响。混凝土浇筑均选在同一时期,同日内最低稳定下浇筑。3.2.2最不利工况强度及刚度计算结果分别对 3 种最不利工况进行计算,计算 3 种工况下受力最大杆件的弯曲应力、轴向应力及剪切应力,考虑单独构件的稳定性,并对拱架的整体稳定性进行屈曲分析,临界荷载特征值不小于 44-6。采用迈达斯软件建立模型时,考虑拱架底部销轴的弯矩释放,计算 3 种工况下拱架变形最大值,结果不小于 L/1 000,且
13、不大于 100 mm。根据拱架变形情况为现场施工预拱度提供理论数据,现场预压过程中做好拱架变形监控并对理论数据进行修正,以得到最优的拱架预拱度。根据计算结果可知:一是工况二为最不利工陈秀萍:大跨度实心板拱桥悬拼钢拱架设计与应用 121 科技创新与生产力 2023 年第 44 卷第 10 期况,拱顶混凝土浇筑完毕后弦杆组合应力最大,因此在施工过程中必须及时浇筑拱腰混凝土,保证两侧对称施工。二是杆件最大组合应力为弦杆L200mm伊125mm伊18mm,最大组合应力为 100MPa,小于弯曲容许应力 218 MPa,满足强度要求。三是拱架最大位移为 16 mm,小于 L/1 000=65 000/1
14、 000=65 mm,且小于规范规定的 100 mm 限制,满足刚度要求。拱架稳定性分析采用软件屈曲分析模式,考虑施工荷载及拱圈重量荷载为可变量,其余自重结构为常量,计算其荷载特征值系数。通过屈曲分析可知,钢拱架荷载特征值为 20,满足整体稳定性要求。3.2.3拱架施工预拱度计算结果混凝土预拱度计算必须考虑施工中的各类静荷载及动荷载7。由于分两次浇筑,第一层混凝土浇筑成拱后,开始对称浇注第二层混凝土,第一层混凝土参与成拱受力,因此为了更精确地计算钢拱架施工预拱度,按照 65 cm 混凝土浇筑厚度荷载计算,根据计算结果,跨中挠度按照 19耀20 mm 设置为宜。3.2.4拱架拼装过程中最大索力计
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