大跨径拱桥施工贝雷梁拱架的设计与分析

李 进，黄 华，李学才

(中交第二公路工程局有限公司，陕西 西安 710065)

大跨径拱桥施工贝雷梁拱架的设计与分析

李 进，黄 华，李学才

(中交第二公路工程局有限公司，陕西 西安 710065)

为解决山区、库区大跨径拱桥施工支架难搭设的问题，介绍了一种不受洪水与地形的影响、纵向为拱形桁架、以稳定性好的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。结果表明，在拱肋浇筑的各个节段，贝雷梁拱架的应力、变形和稳定性均满足相关施工规范要求。

大跨径拱桥；贝雷梁拱架；有限元仿真；拱肋

0 引 言

受地形、洪水、建筑材料和工程造价的影响，采用传统满堂支架在山区、库区修建大跨径钢筋混凝土拱桥，势必出现拱架结构复杂、拼装困难和临时费用过高等问题[1-2]。为解决山区、库区修建大跨径拱桥的诸多问题，介绍一种不受洪水与地形影响、稳定性好、纵向为拱形桁架、以贝雷梁拱架[3]为支架的拱肋分段分环施工技术。贝雷梁钢拱架的强度、刚度和稳定性直接影响拱桥的施工质量，本文采用有限元仿真技术和经典力学理论，分析贝雷梁钢拱架在施工过程各工况下的力学性能[4]；并以凌云县坡贴水库大桥施工为例，介绍此项技术的应用，供同类桥梁的设计和施工参考。

1 工程概况

凌云县坡贴水库大桥横跨广西百色凌云县坡贴水库，为主跨90 m上承式钢筋混凝土箱形肋拱桥，桥位两岸呈V型沟谷地形。

大桥采用1.6 m×1.5 m等截面抛物线箱形拱肋，两拱肋间设置8道0.8 m×1.5 m的空心矩形横系梁，拱肋为C50钢筋混凝土，横系梁为C30钢筋混凝土；拱上立柱为1.0 m×1.0 m和1.2 m×1.2 m的等截面方柱，立柱底座为1.2 m×1.2 m的等截面方柱，立柱及底座均采用C30钢筋混凝土；盖梁采用5.5 m×1.2 m×1 m的C30钢筋混凝土；拱上桥面板为10 m长C30钢筋混凝土空心板，桥面无人行道，两侧设25 cm宽的栏杆。桥台均为重力式U形桥台，扩大基础。0#、9#主拱座为C30钢筋混凝土结构，主拱座上设置重力式U形桥台，基础和台身选用C15片石混凝土，台帽为C30钢筋混凝土。

本桥施工采用贝雷梁拱架支架现浇法，两岸贝雷梁拼装拱架，竖向转体合龙就位，并附设施工便道，经预压拱架调整标高后，立拱肋模板，分段分环浇注拱肋混凝土，待混凝土强度达到100%后拆除拱肋侧模，再对称浇注立柱混凝土，然后拆除贝雷梁拱架上的两侧护网、底模下的方木和联系槽钢，最后采用落拱装置脱空底模，并利用混凝土拱肋拆除拱架。

2 贝雷梁拱架设计

2.1 贝雷梁拱架结构

凌云县坡贴水库大桥拱肋现浇贝雷梁拱架，纵桥向由28片贝雷梁、2片拱脚异形构件和13片T型连接件拼装而成，其中拱脚异形构件用于拱架竖向转体，T型连接件用于克服拱架上、下弦长度差从而拟合拱架曲线；横桥向由10榀加强型贝雷梁拼装而成，各贝雷梁之间采用45 cm花架横向连接；拱架上弦由骑马螺栓固定I20a分配梁，分配梁上设置10 cm×10 cm拱形木方，由楔形块调整其标高。贝雷梁拱架立面如图1所示，横断面如图2所示。

图1 贝雷梁拱架立面

图2 贝雷梁拱架横断面

2.2 基本设计参数

拱肋混凝土施工考虑1.05的超载系数，混凝土容重26 kN·m-3；模板重量取2.0 kN·m-2；其他施工荷载取2.5 kN·m-2；倾倒混凝土及振捣混凝土荷载取4.0 kN·m-2；混凝土浇注时动力系数取1.2；支架自重由Midas Civil程序自动计入；基本设计风速为20.4 m·s-1。

3 有限元仿真

3.1 仿真模型

在大型有限元软件MIDAS中，贝雷片梁拱架上下弦杆、腹杆、横向联系及分配梁采用空间梁单元建立贝雷梁拱架实体模型[5-6]。贝雷梁拱架自重由Midas Civil程序自动计入，混凝土浇注荷载、施工荷载、振捣荷载、风荷载作为外荷载施加在模型上。通过MIDAS建立的贝雷梁拱架实体模型如图3所示。

图3 贝雷梁拱架实体模型

3.2 荷载工况

(1)工况1(浇注第一段拱肋混凝土)。荷载组合为：1.1倍贝雷梁拱架自重，1.26倍第一段拱肋混凝土自重，1.0倍第一段拱肋范围内模板荷载，1.0倍第一段拱肋范围内施工人、机、料自重和1.0倍第一段拱肋范围内振捣荷载。

(2)工况2(浇注第二段拱肋混凝土)。荷载组合为：1.1倍贝雷梁拱架自重，1.05倍第一段拱肋混凝土自重，1.26倍第二段拱肋混凝土自重，1.0倍第一、二段拱肋范围内模板荷载、1.0倍第二段拱肋范围内施工人、机、料自重和1.0倍第二段拱肋范围内振捣荷载。

(3)工况3(浇注第三段拱肋混凝土)。荷载组合为：1.1倍贝雷梁拱架自重，1.05倍第一段拱肋混凝土自重，1.05倍第二段拱肋混凝土自重，1.26倍第三段拱肋混凝土自重，1.0倍第一、二、三段拱肋范围内模板荷载，1.0倍第三段拱肋范围内施工人、机、料自重和1.0倍第三段拱肋范围内振捣荷载。

(4)工况4(浇注第四段拱肋混凝土)。荷载组合为：1.1倍贝雷梁拱架自重，1.05倍第一段拱肋混凝土自重，1.05倍第二段拱肋混凝土自重，1.05倍第三段拱肋混凝土自重，1.26倍第四段拱肋混凝土自重，1.0倍第一、二、三、四段拱肋范围内模板荷载，1.0倍第四段拱肋范围内施工人、机、料自重和1.0倍第四段拱肋范围内振捣荷载。

3.3 静力结果

(1)工况1贝雷梁拱架各杆件应力、位移计算结果见表1。

表1 工况1应力位移计算结果

(2)工况2贝雷梁拱架各杆件应力、位移计算结果见表2。

(3)工况3贝雷梁拱架各杆件应力、位移计算结果见表3。

(4)工况4贝雷梁拱架各杆件应力、位移计算结果见表4。

表2 工况2应力位移计算结果

表3 工况3应力位移计算结果

表4 工况4应力位移计算结果

3.4 动力结果分析

模态参数是结构物自身的固有特性，每一个结构都有其固有的模态参数，它是进行结构抗风、抵抗波浪冲击动力特性分析的基础[7-10]。贝雷梁拱架的组成构件多，自由度数多，要想获得全部各阶的频率和振型几乎是不可能的[11-15]。一般说来，结构前几阶频率对结构动力响应的影响起决定作用，因此，本文采用子空间迭代法计算结构的自振频率和相应的振型，并提取前5阶频率和相应振型进行结构的动力分析，得到的贝雷梁拱架自振频率见表5。

表5 贝雷梁拱架动力分析结果

从表5可知：贝雷梁拱架支架的各阶振动频率较高，反映出结构整体刚度较大；贝雷梁支架各阶频率分布比较集中，反映出该结构动力特性的复杂性[16-20]。

综上，贝雷梁拱架各杆件组合应力均小于相关施工规范规定的容许应力值；最大位移为0.079 8 m(位于拱架分配梁)，能够满足施工过程中对变形控制的要求；贝雷梁拱架各阶频率较高且集中，能够满足施工过程中的稳定性要求。因此，凌云县坡贴水库大桥贝雷梁拱架的设计是合理、可行和可靠的，能够满足施工过程中对支架构件应力、变形和稳定性的要求。

4 局部结构验算

4.1 销轴抗剪强度验算

4.1.1 贝雷销轴

贝雷梁连接销轴由30CrMnTi钢制作，该型号钢材容许弯曲应力[σ]=1 105 MPa，容许剪刀应力[τ]=585 MPa。由《装配式公路钢桥使用手册》可知，贝雷梁销轴的直径D1=4.95 cm。

(1)容许抗弯能力计算。贝雷销轴计算简图如图4所示。

图4 贝雷销轴计算简图

4.1.2 拱脚销轴(转动工况)

拱脚销轴采用40CrMnTi钢，直径D2=49.5 mm。由于结构受力为双剪，最大剪力F1=120 kN，故拱脚销轴(转动工况)承受剪应力

故拱脚销轴(转动工况)的抗剪强度满足规范要求。

4.1.3 拱脚销轴(浇注工况)

拱脚销轴采用40CrMnTi钢，直径D3=49.5 mm。由于结构受力为双剪，最大剪力F2=169.7 kN，故拱脚销轴(浇注工况)承受剪应力

故拱脚销轴(浇注工况)的抗剪强度满足规范要求。

4.2 拱脚耳板验算

(1)剪切强度的验算。贝雷梁拱架拱脚耳板材料采用Q345钢，板厚30 mm，其许用弯曲应力[σw]=295 MPa，许用剪切应力[τ1]=170 MPa，许用挤压应力[σbs]=300 MPa，贝雷梁拱架拱脚耳板最不利受力F2=169.7 kN，销孔边缘距节点板端部最近距离为50 mm，依此进行剪切强度的计算，则拱脚耳板承受的剪应力

式中：A1为拱脚耳板受剪切力的面积。

τ3<[τ1]，故贝雷梁拱架拱脚耳板的抗剪强度满足规范要求。

(2)挤压强度的验算。钢拱架拱脚耳板局部挤压强度的计算采用最不利受力状态，耳板受最大压力F2=169.7 kN，则拱脚耳板承受挤压应力

式中：A2为拱脚耳板受挤压力的面积。

σ1<[σbs]，故贝雷梁拱架拱脚耳板的抗挤压强度满足规范要求。

4.3 预埋件耳板验算

(1)剪切强度的验算。预埋件耳板材料采用Q345钢，板厚20 mm，其技术参数为[σw]=295 MPa，[τ1]=170 MPa，[σbs]=300 MPa，预埋件耳板最不利受力F2=169.7 kN，销孔边缘距节点板端部最近距离为50 mm(双剪)，依此进行剪切强度的计算，则预埋件耳板承受剪应力

式中：A3为预埋件耳板受剪切力的面积。

τ4<[τ1]，故预埋件耳板的抗剪强度满足规范要求。

(2)挤压强度的计算。预埋件耳板局部挤压强度的计算采用最不利受力状态，耳板受最大压力F2=169.7 kN，则预埋件耳板承受挤压应力

式中：A4为预埋件耳板受挤压力的面积。

σ2<[σbs]，故预埋件耳板的抗挤压强度满足规范要求。

5 结 语

为解决山区、库区大跨径拱桥施工支架难搭设的问题，本文介绍一种不受洪水与地形影响、稳定性好、纵向为拱形桁架、以贝雷梁拱架为支架的拱肋分段分环施工技术。采用有限元仿真技术和经典力学理论分析贝雷梁钢拱架在施工过程各工况下的力学性能。结果表明，在拱肋浇筑的各个节段，贝雷梁拱架的应力、变形和稳定性均满足相关施工规范要求。

贝雷梁拱架在大跨径拱桥现浇施工方面有以下优点：施工进度快，质量好，成本低；拱架跨中无竖向支撑，桥高、水深、桥下需要通航或通车时尤为适用；拱架纵向为拱形空间桁架体系，横向用特制横联装置连接，且下平面设置有连接系，整个结构连接牢固，整体性好，使用安全可靠；经济效益显著，用钢量、用木量少，且可多次重复使用，材料周转快；施工进度快，安装、拆卸方便，不受洪水影响，可全年施工，建桥周期短；构件种类少、轻便，具备可换性，损耗率低。

综上所述，凌云县坡贴水库大桥成功采用贝雷梁拱架作为拱肋支架的施工工艺，可为今后类似拱桥施工提供一种新的思路。

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DesignandAnalysisofBaileyBeamArchforConstructionofLongSpanArchBridge

LI Jin, HUANG Hua, LI Xue-cai

(CCCC Second Highway Engineering Co., Ltd., Xi’an 710065, Shaanxi, China)

In order to solve the problem of difficult construction of large span arch bridge in mountainous area and reservoir area, the construction technology of arch rib segmenting with Bailey beam arch as support was introduced, which is not affected by flood and terrain, and is steady and vertically arched truss. Based on the finite element simulation and the classical mechanics, the mechanical properties of the Bailey beam arch were analyzed under various working conditions. The results show that for every section of the arch rib, the stress, deformation and stability of the Bailey beam arch satisfy the requirements of construction specifications.

long span arch bridge; Bailey beam arch; finite element simulation; arch rib

U442.5

B

1000-033X(2017)11-0055-05

2017-04-07

中国交建重点科技研发项目(2011-ZJKJ-24)

李 进(1983-)，男，陕西延安人，高级工程师，硕士，研究方向为大跨桥梁设计与施工技术。

[责任编辑:王玉玲]