大跨径钢筋混凝土拱圈安装过程设计

刘 康, 黄才良, 王会利

(大连理工大学 桥梁工程研究所, 辽宁 大连 116024)

拱桥造型美观,稳定性好,在现代桥梁设计中被越来越多的采用.拱桥施工方法多样,缆索吊装结合扣锚索的施工方法因其技术成熟、成拱质量高、工期短、效益好,而被经常采用[1-2].

1 工程概况

黔中水利枢纽一期工程总干渠龙场渡槽是一上承式钢筋混凝土箱形截面拱结构,混凝土标号为C55,拱圈净跨径L0=200 m,净矢高f0=40 m,矢跨比为1/5.拱圈下缘线形为悬链线,拱轴系数m=2.24.拱上的槽壳为简支结构,支承在拱上排架上,其跨度为15.0 m.拱圈截面为变宽度单箱双室截面(见图1),拱圈宽度从12.0 m(拱脚)渐变为5.5 m(拱顶),宽度变化曲线是顶部位于拱顶的二次抛物线.截面高度为3.5 m.拱圈截面顶底板厚度为40 cm,边腹板厚度为65 cm,中腹板厚度为40 cm.

图1 拱圈断面图(单位:cm)Fig.1 Sectional diagram of arch ring (Unit: cm)

2 安装过程计算

2.1 拱圈施工方案概述

拱圈0#块在贝雷桁架和临时斜拉扣索组成的支架上分层现浇.除0#块和拱顶合龙段外,拱圈其余部分采用全断面分段预制、悬臂拼装(缆索吊装配合斜拉扣挂)的安装方案,纵向每侧共分13个预制节段,全桥共有26个预制安装节段.

预制安装节段采用缆索吊机吊装运输到位,节段到位后其后方坐落于已安装块件前方的牛腿结构上,节段前方安装扣索及侧向缆索.拆除缆索吊机的吊索后,利用扣索调整块件的安装标高,利用侧向缆索调整块件轴线.待块件姿势调整完毕后,焊接边腹板上、下缘的连接钢板,灌注边腹板拼接缝.待灌缝填料强度达到设计强度后,放松侧向缆索,调整扣索索力.用同样的方法再安装一个块件.同时浇筑前方两个块件的湿接缝混凝土,待湿接缝混凝土达到设计强度后调整扣索索力,然后再进行下一循环的安装施工.在安装过程中,锚索索力按要求随时调整,以确保混凝土交界墩及钢扣塔的受力安全.

预制节段安装完毕后,安装拱顶合龙段劲性骨架,浇筑合龙段混凝土[3].

2.2 计算模型[4-5]

拱圈的安装过程按平面杆系结构有限元模型进行计算,计算模型示意图见图2.

计算模型中有如下若干假定:

(1) 前方块件安装到调整块件坐标时,块件后方节点按铰接计算.

(2) 接缝连接钢板焊接完毕,灌缝填料达到设计强度后,接缝处采用“连接钢板+每侧85 cm的边腹板”的梁单元.

(3) 湿接缝混凝土达到设计强度后,接缝处叠加一个边腹板厚度为40 cm的单箱双室的钢筋混凝土梁单元.

(4) 拱圈钢筋混凝土容重按26 kN/m3计.

图2 计算模型示意图Fig.2 Schematic drawing of calculation model

安装过程控制参数确定原则如下:

(1) 前方块件安装到位时,扣索第一次张拉的索力T0按静力平衡确定.

(2) 待接缝钢板焊接完毕,灌缝填料达到设计强度后,对前方扣索进行第二次张拉时,使接缝下缘拉应力不大于1.5 MPa.

(3) 在次前方接头湿接缝混凝土浇筑前,前方又安装一个块件时,次前方接缝上缘拉应力不大于1.5 MPa.

(4) 在满足(2)和(3)两个条件时,假定灌缝填料不起作用,完全依靠连接钢板传递接头弯矩,钢板及其连接焊缝的承载力满足要求.

(5) 在整个拱圈安装过程中,拱圈混凝土截面拉应力不大于1.5 MPa,最大压应力不大于10.0 MPa,当调整前方扣索不能完全满足此要求时,适当调整后方扣索,或拆除某些扣索.

0#块及1#块扣索、锚索在浇筑8#～9#和9#～10#间湿接缝后拆除,其余各缆索拆除流程如表1所示.

表1 缆索拆除流程表Table 1 Flow table of cable demolition process

2.3 计算结果

图3为拱圈拼装过程的拱圈截面应力包络图.从应力包络图中可以发现,在拱圈拼装过程中,拱圈上缘最大压应力为5.88 MPa,最大拉应力为-1.38 MPa.拱圈截面下缘最大压应力为6.42 MPa,最大拉应力为-1.47 MPa.

拱圈截面的最大压应力:

σmax=6.42 MPa<0.5fc k=17.75 MPa

最大拉应力:

σmax=1.47 MPa<0.7ft k=1.92 MPa

上述应力计算范围包括预制拱圈及湿接缝,因此拱圈混凝土应力满足规范要求.

图4为缆索拆除过程的拱圈截面应力包络图.从应力包络图中可以发现,在缆索拆除过程中,拱圈上缘最大压应力为8.00 MPa,最大拉应力为-0.94 MPa.拱圈下缘最大压应力为7.86 MPa,最大拉应力为-0.85 MPa.

拱圈截面的最大压应力:

σmax=8.00 MPa<0.5fc k=17.75 MPa

最大拉应力:

σmax=0.94 MPa<0.7ft k=1.92 MPa

上述应力计算范围包括预制拱圈及湿接缝,因此拱圈混凝土应力满足规范要求.

图3 拱圈拼装过程的拱圈截面应力包络图(单位:MPa)Fig.3 Stress envelope diagram of arch ring section during assembling process(Unit: MPa)

图4 缆索拆除过程的拱圈应力包络图(单位:MPa)Fig.4 Stress envelope diagram of arch ring section during cable demolition process(Unit: MPa)

3 结 论

(1) 安装两个块件后再进行两个混凝土湿接缝的浇筑是可行的,但必须对前方两道缆索进行精确的控制,以确保混凝土湿接缝达到强度前边腹板接缝的安全.

(2) 在拱圈悬臂安装过程中,一般的缆索(包括扣索和锚索)均要进行三次张拉,即块件安装到位时、边腹板灌缝达到强度后、块件湿接缝达到强度后.

(3) 在悬臂施工状态下,个别拉索拆除时应保持同号扣索和锚索的同步、平稳、按比例卸载,避免钢绞线在高应力状态下的人为切断,以确保扣塔、拱圈以及人员设备的安全.

(4) 张拉设备及锚具构造应能够适应反复张拉、缓慢释放的要求.以选择能够连续、平稳张拉和释放的连续千斤顶为宜.

参考文献:

[1]姚玲森,项海帆,顾安邦. 桥梁工程[M]. 2版. 北京:人民交通出版社, 2008.

(Yao Lingsen, Xiang Haifan, Gu Anbang. Bridge Engineering[M]. 2nd ed. Beijing: China Communications Press, 2008.)

[2]毛伟琦. 大跨度钢筋混凝土拱桥吊装施工设计[J]. 桥梁建设, 2007(s1):18-21.

(Mao Weiqi. Construction Design of Lifting and Erection of Long Span Reinforced Concrete Arch Bridge[J]. Bridge Construction, 2007(s1):18-21.)

[3]尚晋,李冬,李博强. 悬浇梁合龙段劲性骨架结构分析[J]. 沈阳大学学报:自然科学版, 2013,25(4):326-331.

(Shang Jin, Li Dong, LiBoqiang. Structural Analysis of Stiff Rigid-Frame in Closure Section of Cantilever Casted Bridge[J]. Journal of Shenyang University: Natural Science, 2013,25(4):326-331.)

[4]龙驭球,包世华. 结构力学教程[M]. 2版. 北京: 高等教育出版社, 2006.

(Long Yuqiu, Bao Shihua. Structural Mechanics[M]. 2nd ed. Beijing: Higher Education Press, 2006.)

[5]项海帆,姚玲森. 高等桥梁结构理论[M]. 北京:人民交通出版社, 2001.

(Xiang Haifan, Yao Lingsen. Higher Bridge Structure Theory[M]. Beijing: China Communications Press, 2001.)