学兔兔 公路交通技术 2014年8月 第4期 Technology of Highway and Transport Aug．2014 No．4 渡槽贝雷钢拱架稳定性及承载能力分析 钟 伟 ，肖阳剑 (1．贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，贵阳 550014；2．重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074) 摘 要：以悬拼贝雷钢拱架施工拱圈的某拱式渡槽为背景，通过对拱架结构的稳定性及承载能力进行分析，揭示拱 圈现浇过程中拱架的力学行为，并对拱架不同约束形式下其稳定性和承栽力的变化进行比较，得出拱架采用固结约 束较铰接能显著提高拱架稳定性且不降低拱架承载能力的结论，可为以后类似工程设计施工提供参考。 关键词：渡槽；贝雷梁；钢拱架；稳定性；约束形式；缆索吊装 文章编号：1009—6477(2014)04—0089—04 中图分类号：U448．22 文献标识码：B Analysis for Stability and Bearing Capacity of Aqueduct Bailey Steel Arches ZHONG Wei ．XIAO Yangjian Abstract：with some arch aqueduct which arch rings are constructed with suspended Bailey steel arches as background，this paper discloses mechanical behaviors of arches during cast—in—situ of arch rings by analyzing stability and bearing capability of arch structures，and compares changes of stability and beating capability of arches under different constraints to draw a conclusion that consolidation constraint hinge joint adopts for arches can remarkably improve stability of arches without reduction of beating capability of arches．This conclusion can provide a reference for design and construction of similar projects in the future． Key words：aqueduct；Bailey beam；steel arch；stability；constraint form；cable hoisting 贵州某渡槽为跨越”V”型走向山谷而采用了钢 力进行了对比研究，分析认为：对拱架采用固结约束 筋混凝土拱式渡槽结构。由于受地势所限缺少预制 可以显著提高其稳定性而不降低其承载能力，从而 场地，且拱圈施工时不便采用支架施工，故该渡槽拱 可大大降低施工过程中拱架整体失稳的风险，可为 圈施工采用了悬拼贝雷钢拱架现浇方式。大跨度拱 以后类似工程实施提供参考。 桥拱架施工技术在峡谷山区地带得到广泛应用，如 打黑渡怒江大桥¨j、曾家沟大桥_2]、丹河大桥 等。 l 工程概况 在拱式渡槽拱圈施工过程中，作为主要施工平台的 贵州某拱式渡槽主孔净跨为108 m，采用缆索 拱架起着至关重要的作用，而确保拱架承载能力及 吊装悬拼贝雷钢拱架并现浇钢筋混凝土箱型截面拱 稳定性满足要求是该类拱式渡槽顺利竣工的必要条 的施工工艺，矢跨比为1／4，拱轴线为悬链线]针对某桥拱架进行了整体稳定性有限 系数为1．783。该渡槽立面布置示意见图1。拱圈 元分析，得到了一些有用的结论，但未就如何提高拱 为单箱双室截面，截面宽6．0 m，高2．2 m。截面顶、 架稳定性进行深入研究。由于水利渡槽拱箱的顶、 底板厚度均为30 cm，腹板厚度为40 em。拱圈横断 底、腹板尺寸均比同跨径公路桥大，因此，与公路桥 面布置示意见图2。拱圈分3次浇筑，分层位置示 施工采用的贝雷钢拱架结构相比较，渡槽拱箱施工 意见图3。 采用的贝雷钢拱架结构有一些不同之处，其有更适 该渡槽施工拱架由贝雷梁斜拉扣挂悬臂拼装而 用于渡槽的特点。本文以上述某特殊拱式渡槽为工 成 J。标准贝雷片高1．5 m，长3．0 m。贝雷片构造 程实例，对不同约束条件下拱架的稳定性及承载能 示意见图4。拱架横桥向均匀布置20片贝雷片，每 收稿日期：2014—05—13 作者简介：钟 伟(1982一)，男，湖南省益阳市人，硕士，工程师 学兔兔 公 路 交 通 技 术 2014血 c35混凝土槽壳 — — ! ! 1 15O 1 150 1 150 1 150 1 150 1 150 1 150 1 150 1 1 耋 10 800 单位：em 图1 某渡槽立面布置示意 1● 230x10 Q门 ＼ ! ／ 30X10 30×10 30×l0 30×1O 厂 —— 厂一 —— 荽 _ 40 — 240 ：O ． 240 _40 300 300 ． ． ．． i 生：尘垡 单位：cm 图2 某渡槽主拱圈横截面示意 单位：cm 图5 拱架横断面示意 图3 某渡槽拱圈混凝土浇筑分层位置示意 图6 空间计算模型示意 系生成空问梁单元，其中，上、下弦平联支撑架位置 相同，由标准支撑架和自制支撑架横向连通。模型 中钢材的弹模采用2X10 MPa，钢材的线． ，l 根据施工方案，进行施工模拟计算时进行了如 单位：rnln 下假定：1)拱圈底面与拱架之间用受压的间隙单元 图4 贝雷片构造示意 来模拟其荷载的竖向传递 ；2)计算模型中拱架坐 4片拼成1组，共分成5组，单组贝雷片纵桥向由11 标已考虑设计预拱度；3)计算拱架稳定系数时，偏 个节段(含跨中合龙段)悬拼而成。拱架横断面示 安全地不计人上一工序施工的结构刚度对后续施工 意见图5。 荷载的作用 。计算模型坐标系取拱脚下缘两端连 线的中点为坐标原点，计算模型坐标系布置见图7。 2 计算模型建立 2．2 结构荷载及计算工况 本渡槽拱架稳定性计算采用空间模型，示意图 2．2．1 拱架荷载 见图6。把拱架的弦杆、腹杆、上下平联及径向连接 由设计图纸、施工组织设计及工程实践可知，本 学兔兔 2014年 第4期 钟 伟，等：渡槽贝雷钢拱架稳定性及承载能力分析 91 表1 拱架各工况稳定安全系数 图7 计算模型坐标系布置 文的计算模型荷载主要包括如下几类：1)钢拱架自 重；2)模板及其所垫木方等施工荷载；3)底板混凝 土重量；4)拱圈腹板及横隔板重量；5)顶板混凝土 接与固结2种隋况下拱架1阶失稳模态状况见图8。 重量。 从表1数据可以看出，仅将拱架拱脚由铰接改 2．2．2 计算工况 为固结，即可使拱架施工过程中各工况稳定安全系 本文按照施工过程模拟计算了如下6个工况。 数提高约50％，从而可极大地降低施工风险。 工况1：拱架自重。 工况2：工况1+垫方、模板。 4 拱架承载能力分析 工况3：工况2+底板浇筑完毕。 将拱架处约束由铰接改为固结虽能较好地提高 工况4：工况3+剩余模板。 拱架的稳定性，但其对拱架承载能力的影响是否有 工况5：工况4+腹板及横隔板重量。 利还值得进一步研究。由文献[8—9]可知，若在拱 工况6：工况5+顶板混凝土重量。 架上采用分环分段施工现浇钢筋混凝土拱圈，则可 以利用先期形成的拱环与钢拱架的联合作用 】。。来 3 拱架稳定性计算结果 减少拱架用钢量。基于这一前提，本文分别对拱架 该渡槽拱架悬拼吊装成拱后按2个类型进行了 拱脚铰接和固结2种情况进行了受力分析。在主拱 计算分析：第1类为两铰拱，第2类为无铰拱。拱架 圈施工过程中各控制工况下，拱脚铰接时拱架弦杆 为两铰拱时，1阶失稳为面内反对称失稳；拱架成拱 应力的最大值和拱脚固接时拱架弦杆应力的最大值 后，若将两拱脚固结，则拱架产生对称面外失稳。按 分别见表2、表3。由于腹杆单元应力较小，不作为 2种拱脚约束形式分别对拱架的6种工况进行了稳 主要控制参数，因此未给出其计算结果。表2、表3 定性分析，得到稳定安全系数，如表1所示。拱架铰 中数值均不包括拱脚杆件。 (a)拱架拱脚固结 (b)拱架拱脚铰接 图8 1阶模态失稳 (下转第100页) 学兔兔 100 公 路 交 通 技 术 2014卑 应力与温度控制[M]．北京：水利电力出版社，1976 参考文献 [5] 中国长江三峡工程开发总公司．SDJ207--82 水工混 赵国藩．钢筋混凝土结构的裂缝控制[M]．北京：海洋 凝土施工规范[S]．北京：水利电力出版社，1982． 出版社，1991． [6] 住房和城乡建设部．GB／T 50476--2008 混凝土结构 [2] 王铁梦．工程结构裂缝控制[M]．北京：中国建筑工业 耐久I生设计规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2008． 出版社，1997． [7] 中国长江三峡开发总公司．GB 50367--2006 混凝土 [3] 刘兴法．混凝土结构的温度应力分析[M]．北京：人民 结构加固设计规范[S]．北京：水利电力出版社，2006． 交通出版社，1991． [8] 杨 帆．高桩码头面层裂缝的施工控制[J]．港口科 [4] 朱伯芳，王同生，丁宝瑛，等．水工混凝土结构的温度 技，2011(8)：25—27． ··●●●●o ●●●●●●●●●o ●●●◇ ·●●●o ●0 ‘·●●0 ●0 ●0 ·●o ●●o ●0 ●●●0 ●o ·●●0 ●o 0●●0 ● (上接第91页) 表2拱架拱脚铰接时弦杆最大应力 MPa 接约束可显著降低拱架整体失稳风险。 参考文献 [1] 吴高峰，徐 鸿．打黑渡怒江大桥拱架及拱肋施工过 程计算[J]．建筑钢结构进展，2005，7(1)：47-50． 表3 拱架拱脚固结时弦杆最大应力 MPa [2] 刘山洪，崔莹华，刘 毅．曾家沟大桥拱架设计与分析 [J]．重庆交通大学学报：自然科学版，2008，27(S1)： 867—870． [3] 胡崇武，范立础．丹河大桥拱圈与拱架共同作用研究 [J]．公路，2005(4)：50-53． 从表2和表3数据可以看出，在拱脚铰接和固 [4] 王 琳，邓 凡．某拱架整体稳定性有限元分析[J]． 结2种不同的约束情况下，拱架施工过程中上、下弦 山西建筑，2007，33(31)：313-314． 杆最大应力分别为156．4和159．0 MPa，均小于其 [5] 黄绍金，刘陌生．装配式公路钢桥多用途使用手册 容许应力210 MPa【11]，拱架的承载能力满足要求。 [M]．北京：人民交通出版社，2002． 且拱架约束由铰接变为固结后，拱架上弦杆应力相 [6] 顾安邦．桥梁工程：下册[M]．北京：人民交通出版社， 应下降，下弦杆应力相应升高，但变化幅度均较小， 2000． 拱架弦杆最大应力仅由156．4 MPa增加到159．0 [7] 刘 鹏，刘 会，郑凯峰．混凝土现浇箱形拱圈与拱架 MPa。由此可以看出拱脚约束形式的改变对拱架承 联合作用研究[J]．重庆建筑大学学报，2008(2)：61— 65． 载能力的变化影响较小。 [8] 刘 鹏，陈思甜，郑凯峰．分环现浇混凝土拱圈与拱架 联合作用机理[J]．公路，2011(3)：14-19． 5 结束语 [9] 向中富，徐君兰，王银辉，等．拱桥拱架施工过程中的 本文介绍了某渡槽利用悬拼贝雷钢拱架分环分 结构行为分析[J]．重庆交通学院学报，2001，20(增)： 段浇筑钢筋混凝土拱圈的6种施工工况，并按照6 17-22． 种施工工况对铰接和固结2种约束条件下某渡槽拱 [10]蒋云峰，陈思甜，龚尚龙，等．钢筋混凝土箱型拱桥现浇 架的稳定性和承载能力进行了对比分析。分析发现 施工拱圈一拱架联合受力仿真分析[J]．黑龙江科技信 拱架约束形式与其稳定性及承载能力存在如下关 息，2009(4)：211． 系：当拱架约束由铰接变为固结时，其稳定性明显提 [11]周水兴，何姚益，邹毅松．路桥施工计算手册[M]．北 高而承载能力变化不大。故拱架采用固结约束较铰 京：人民交通出版社，2001．
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