钢拱桥拱肋尺寸的估计（贝雷钢拱架上九跨连拱桥施工控制研究）

郑俞冯品昌武云龙张利斌马小龙中交二公局第六工程有限公司

摘要：采用三维数值模拟和现场监测的方法，探讨了贝雷钢拱架上九跨连拱桥主拱圈施工控制措施。研究表明：贝雷钢拱架在主拱圈混凝土纵向分段、对称浇筑过程中的应力和变形安全可控，并且底部安装纵向水平拉杆可显著降低拱架对墩身的水平推力，且张拉施加预应力后可有效提高钢拱架刚度和减小钢拱架竖向变形。同时，考虑贝雷片还可以周转使用节约施工成本以及具有施工速度快的优点，贝雷拼装钢拱架是地形复杂的多山、河谷等不良施工条件下钢筋混凝土拱桥的优选施工方案。

关键词：钢拱架;贝雷片;连拱桥;拱圈浇筑;纵向分段;

1 概述

施工方法是决定大跨径钢筋混凝土拱桥成败关键的技术因素，目前针对大跨度钢筋混凝土拱桥施工技术的研究还较少。刘海阔[1]采用Midas软件对满堂支架现浇上承式钢筋混凝土空腹式箱形拱桥落架施工方法进行数值分析，提出了一种将一次性落架与循环落架结合的落架方法。梁远禄等[2]研究了太平湖大桥施工中采用的无支架缆索吊装施工技术。田复之等[3]针对某净跨120 m钢筋混凝土箱型拱桥详细阐述了采用缆索吊装系统悬拼钢拱架以及在其上进行模板、钢筋安装并现浇主拱圈混凝土的施工工艺。王伟等[4]则针对两河口水电站密瓦段Ⅶ标折多沟大桥提出了常备式钢拱架安拆施工技术。然而，在地形复杂的多山、河谷等地区，采用大型起吊设备吊装或者搭设满堂钢管支撑架进行大跨径桥梁的施工存在诸多困难，常需要采用缆索吊拼装贝雷梁架设拱架实现复杂条件下拱桥的施工。程灏[5]以西南地区某单箱双室钢筋混凝土箱形拱桥为工程实例，通过有限元模型对贝雷梁悬拼钢拱架在浇筑过程中的受力状态进行分析，对拱圈分段浇筑长度、顺序进行优化。王梦龙[6]结合上海某公路立交桥，简要介绍了跨航道拱桥施工中贝雷支架的设计方案和其受力分析方法。叶乃兵[7]针对金温铁路大溪大桥施工技术分析表明贝雷梁支架对跨河、跨路等大跨度梁体结构施工提供了有利的支撑措施，且具有支架搭设速度快，经济效益高等特点。李中奎等[8]依托宁波G228陆埠互通及S319丈亭互通主桥建设工程研究表明，采用贝雷片支架施工方案，可以提高整体大临结构的强度、刚度、稳定性。由以上分析可见，采用贝雷钢拱架完成拱桥施工的工艺特点分析仍不完善，浇筑混凝土过程中钢拱架的受力及变形特点仍不清楚，鉴于此，有必要结合现场监测和数值模拟进一步开展贝雷钢拱架上钢筋混凝土拱桥施工控制研究。

2 工程概况

伊犁河新一桥位于新疆伊犁哈萨克自治州伊犁河谷风景旅游区中心，结构形式为九跨空腹式钢筋混凝土板拱桥，跨径布置为12 m 9×31.74 m 12 m=309.66 m, 双向6车道。主拱圈采用现浇钢筋混凝土板拱，拱板等截面厚度0.7 m, 采用悬链线拱轴线，拱轴系数取1.5,净跨径30 m, 净高5.0 m。墩柱外形与旧桥保持一致，采用实心钢筋混凝土矩形墩柱，墩顶宽1.9 m, 墩底宽2.24 m, 墩高5.5 m, 截面变化斜率1∶30。端部采用椭圆弧断面，上游迎水面设置破冰棱。3、6 号墩为制动墩，基础采用双排直径1.5 m 桩基础，每排布置7根桩，桩间距4.25 m, 排间距4.0 m, 承台厚度2.3 m; 其他墩为非制动墩，基础采用双排直径1.2 m 桩基础，每排布置7根桩，桩间距4.25 m, 排间距3.2 m, 承台厚度2.0 m。伊犁河大桥结构图如图1所示。

主拱圈施工采用贝雷片拼装钢拱架来完成。钢拱架采用标准贝雷片与特制异型件拼装而成，顺桥向拱架以折线形式连接模拟主拱圈的曲线特征。钢拱架基本节段分为拱脚节段、标准节段、异型连接件、拉杆等组成，节段间下弦杆通过贝雷销直接连接，上弦杆采用特制异型连接件和贝雷销连接。钢拱架横向共32榀，横向连接采用90型贝雷支撑架，顺桥向共有拱脚节段2片、标准节段9片，钢拱架底部每两榀拱架间安装纵向水平ϕ32 mm精轧螺纹钢筋拉杆，每跨16根，如图2～图4所示。钢拱架拱座立柱采用8根ϕ630 mm×10 mm螺旋管焊接在承台顶部横桥向预埋好的钢板上，立柱之间采用[14槽钢焊接成剪刀撑，加强横向稳定性。钢拱架吊装前，安装分配梁、拱脚节段的刚性支撑。利用墩身施工预留的ϕ16 mm精轧螺纹钢筋拉杆在墩身每侧固定[20a槽钢，分配梁与[20a槽钢之间采用12号工字钢支撑并焊接牢固。每榀拱脚节段下弦杆与墩身预埋钢板之间同样采用12号工字钢设置刚性支撑。

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图1 伊犁河大桥布置

单位：m

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图2 单跨钢拱架立面构造

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图3 单跨钢拱架横向构造

单位：mm

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图4 钢拱架完成拼装

3 主拱圈施工方案

主拱圈主要施工工艺流程为：安装ϕ630 mm×10 mm钢管柱→安装3I40工字钢盖梁→安装千斤顶及2I20工字钢竖向支撑→钢拱架拼装及吊装→安装2I10工字钢纵向支撑→安装精轧螺纹钢筋及张拉预应力→安装2I12工字钢横向支撑→铺10 cm×10 cm方木→钢拱架预压→木楔子调节主拱圈线形→安装底模→绑扎钢筋→侧模安装→混凝土浇筑→混凝土养生→钢拱架落架。其中，关键施工过程工艺要点如下。

(1)钢拱架拼装。

钢拱架先在硬化场地进行预拼，按照钢拱架设计线形在场地放出钢拱架大样，从钢拱架一端拱脚向另一端拱脚依次拼装。靠近拱脚部位的贝雷片与特制钢拱脚通过贝雷销子连接，中间各贝雷片之间上弦杆通过特制异型件与贝雷销子连接，下弦杆用贝雷销子直接连接。拼装完成1榀钢拱架之后，再拼装另外一榀。每两榀为1组，通过贝雷花架连接。每组钢拱架拱脚横向部位安装双拼I12a工字钢，并在双拼I12a工字钢背楞安装ϕ32 mm精轧螺纹钢筋拉杆，形成弓弦形体系。然后采用履带吊运至现场安装。

(2)钢拱架吊装。

由于桥梁横向宽度较大，起吊设备无法将钢拱架直接吊装至设计位置最远端，两榀拱架拼成一组，用履带吊吊装至钢拱架平移装置上，一次吊装4组即8榀钢拱架，各组间横向采用支撑架联结，上下游各设置4组临时缆风绳。

(3)钢拱架平移。

平移装置力求简便实用，采用ϕ20 mm滚轴、ϕ40 mm滚轮及12号工字钢托板组成。滚轴嵌入工字钢内5 mm并固结，滑车长度为6.5 m(8榀拱架宽度为6.3 m),滚轮横桥向间距0.9 m。滚轴两端设置限位装置，防止平移方向偏离。平移时采用5 t手拉葫芦拉动滑车托板行进。

(4)张拉水平拉杆。

待钢拱架安装固定后，在拱脚节段下弦杆末端安装横梁用以锚固水平拉杆，每一组钢拱架安装纵向水平ϕ32 mm精轧螺纹钢筋拉杆，每跨16根。张拉时，按照横向对称原则进行，保证每根水平拉杆受力一致。

(5) 主拱圈卸架。

待混凝土强度达到设计强度的100%后，先将拱座千斤顶安装就位，割除拱脚节段与墩身间的刚性支撑，然后割除2I36a分配梁与3I40a分配梁之间的刚性支撑，按照横向对称、两拱脚对称的原则进行支撑的拆除，保证拱圈混凝土与拱架受力平衡，防止横向、纵向受力不均。钢拱架卸落时，将钢拱架与上横梁固定，卸落装置与下横梁固定，卸落时采用的滑移小车与钢拱架安装时采用的滑动小车相同，不同之处是将滑动车上下翻转180°。

4 拱圈分段浇筑的影响数值分析

大跨径混凝土拱桥利用贝雷梁悬拼钢拱架进行拱圈浇筑过程中，拱圈的纵向分段长度、分段浇筑顺序将直接影响拱架在施工过程中的变形及应力，进而影响整个拱桥结构的成桥状态。拱圈混凝土浇筑采用纵向上分为长度相当于拱脚段(2段)、拱顶段(1段)、中间段(2段)的分段浇筑方案，浇筑时先浇筑拱脚段，然后浇筑拱顶段，最后浇筑中间段。其中拱脚段浇筑方向为从下往上，拱顶段浇筑方向为从拱圈两岸往正中方向对称进行，中间段浇筑方向是从3L/16向3L/8位置浇筑，如图5所示。

钢拱桥拱肋尺寸的估计（贝雷钢拱架上九跨连拱桥施工控制研究）(5)

图5 主拱圈混凝土分段浇筑顺序示意

为了控制拱圈混凝土纵向分段浇筑钢拱架拱顶及拱脚会产生较大的变形，采用有限元软件Midas建立图6所示的三维模型对其受力及变形特征进行分析，设计工况及计算荷载如表1所示，各工况钢拱架加载见图7。

由图7可见，钢拱架各杆件在工况三(满载)作用下所受内力及变形最大，竖向最大变形为2 cm, 各构件受力计算及验算结果见表2。由表2可见，钢拱架在工况三(满载)作用下，各构件应力均未超过规范允许值，安全性能满足要求。因此，采用纵向、横向对称、均衡的原则实施拱圈混凝土纵向分段浇筑方案可以确保钢拱架的安全及主拱圈混凝土浇筑质量。

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图6 钢拱架计算模型

表1 钢拱架计算工况及荷载组合

工况	施工阶段描述	荷载组合
工况一	拱脚段混凝土浇筑	水平荷载：风荷载垂直荷载：钢拱架自重拱脚段混凝土模板施工机具混凝土振捣荷载
工况二	拱顶段混凝土浇筑	水平荷载：风荷载垂直荷载：钢拱架自重拱脚段、拱顶段混凝土模板施工机具混凝土振捣荷载
工况三	合龙段混凝土浇筑	水平荷载：风荷载垂直荷载：钢拱架自重拱脚段、拱顶段、中间段混凝土模板施工机具混凝土振捣荷载

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图7 钢拱架加载模型

表2 钢拱架杆件应力汇总

杆件名称	主材规格	组合应力/MPa	允许应力/MPa	是否满足要求
贝雷梁	321型	266.4	275	满足
钢拱架异型件	][10、I8、][20	254.4	275	满足
双拼36工字钢分配梁	2I36a	103.0	190	满足
双拼20工字钢支撑梁	2I20a	177.2	190	满足
三拼40工字钢分配梁	3I40a	136.4	190	满足
平联及剪刀撑	[14a	14.7	190	满足
钢管柱	ϕ630 mm×10 mm	95.0	190	满足
精轧螺纹钢筋拉杆	ϕ32 mm	122.5	830	满足

5 现场监测及结果分析5.1现场监测方案

在数值模拟论证拱圈混凝土纵向分段浇筑方案的基础上，施工过程中对钢拱架受力及变形进行现场监测。在钢拱架拱脚处及L/8、L/4、3L/8、L/2、5L/8、3L/4、7L/8共7个断面每侧分别设置2个变形监测点，共设置14个监测点。在钢拱架的拱脚处、拱顶处、L/4 处、3L/4 处以及水平拉杆、拱脚与墩身间刚性支撑处设置应力监测点，每个截面上下弦杆分别设置1个应力监测点，钢拱架共设置10个应力监测点。变形及应力监测点布置如图8所示。

钢拱桥拱肋尺寸的估计（贝雷钢拱架上九跨连拱桥施工控制研究）(8)

图8 钢拱架现场监测断面布置

5.2现场监测结果分析

由图9可见，按照纵向分段方案进行主拱圈混凝土浇筑过程中，各工况钢拱架变形规律与有限元计算的变形规律基本保持一致，个别工况钢拱架变形的差异主要是因为主拱圈混凝土浇筑时左右侧未能完全同时对称浇筑而产生的施工误差造成的，得到的左侧钢拱架变形为-19～17 mm, 右侧拱架为-21～10 mm, 均小于规范允许值33 mm。

由图10可见，按照纵向分段方案进行主拱圈混凝土浇筑过程中，各工况钢拱架应力变化规律与有限元计算得到的应力变化规律基本相符，各工况钢拱架上弦杆应力为-257.1～-3 MPa, 拱架下弦杆应力为-169～-15 MPa, 以压应力为主，均小于规范允许值275 MPa。

另外，为降低钢拱架对桥墩的水平推力，在每两榀拱架底部之间安装16根纵向ϕ32 mm精轧螺纹钢筋水平拉杆，组成弓弦形支架，每个拉杆分担的水平拉力为61.3 kN,则16根ϕ32精轧螺纹钢筋承受的水平推力为61.3×16=980.8 kN,每一个横向支撑的水平推力最大为214.3 kN。钢拱架对桥墩的水平推力为214.3×32=6 857.6 kN,实测每个桥墩最大水平推力为8 567.1 kN,小于桥墩最大水平抗力30 100 kN,显然在拱架底部增设水平拉杆形成弓弦形支架的方案满足设计要求。

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