钢箱拱临时合拢构造措施及力学行为分析

陈 松，周志祥，韦 轶

（重庆交通大学 土木建筑学院，重庆 400074）

钢箱—砼组合拱桥以钢箱成拱，在钢箱不同区段内浇筑混凝土，钢箱拱肋施工根据地形、施工条件常见形式有竖转施工、吊装施工。

钢箱拱因其独特的构造不仅能够通过填筑混凝土适应结构受力需要，更能广泛地适应施工地形、机械设备等条件，比常规拱肋桥具有更灵活的施工方式。依托工程夹滩笋溪河大桥采用两节段钢箱吊装合拢，合拢时拱顶、拱脚设置引导钢筋实现钢箱对位，通过顶板、底板设置连接板。锚固螺栓通过连接板上设置的预留孔，实现截面合拢，如图1所示。因此，合理的布置连接板的位置及数量对合拢时期的安全性及裸钢箱受力有重要意义。

1 构造研究

1.1 合拢连接板布置形式分析

1.1.1 临时合拢连接板参数设定

钢箱连接板参数（如图2所示），钢箱顶板和底板临时焊接连接板个数均为n1，腹板一侧临时焊接连接板个数为n2。

由以上参数计算图示可以得到

顶底板连接板数量：n1＝ （W－2l4）／l3；

单侧腹板连接板数：n2＝ （H－2l2）／l1；

连接板总面积：A＝2（n1＋n2）bh。

1）连接板承担的轴力和弯矩根据结构整体刚度计算确定，仅考虑主拱在面内的弯矩、轴力。

2）临时合拢连接板的惯性矩由钢箱顶底板的连接板和钢箱腹板连接板提供。

1.1.2 分析推导

1）钢箱顶底板连接板根据对称原则简化布置，其对x轴的惯性矩为

图1 钢箱临时合拢截面

2）腹板连接板按照简化计算原则，对称布置计算：

图2 临时合拢连接板数量参数设定

整个钢箱连接板的惯性矩

在压弯组合状态下由截面应力计算公式

其中：A＝ （n1＋n2）th，y0＝H／2，

可得n1、n2的如下关系式

式中：N为作用组合在截面产生的轴力，M为作用组合在截面产生的弯矩，H为钢箱内壁净高度，t为连接板的厚度，h为连接板的高度，l1为腹板连接板的间距，n1为顶板（底板）连接板数量，n2为一侧腹板连接板数量。

对于一个确定的钢箱，已知的参数有N，M，H，t，h，l1，其中N，M为结构重力、施工荷载及温度荷载等作用在拱上产生的内力。代入相应数值可得一个关于n1，n2的不等式，通过试算即可确定n1，n2的数量，其中n1、n2有不同组合形式。

2 合拢阶段力行为分析

2.1 钢箱拱吊装合拢

钢箱吊装合拢阶段采用先拱顶合拢再拱脚，施工过程为：钢箱两段起吊→拱顶、拱脚引导就位→拱顶合拢形成两铰拱受力体系→拱脚合拢形成无铰拱。钢箱拱肋沿曲线长度为53.35m，水平投影长度50m，按照吊点布置位置的连线与钢箱截面形心在同一竖直面上，并采用吊索的合力作用线通过重心的原则布置吊点，吊点布置于距拱顶17.5m、拱脚9.8m位置。

拱肋吊装合拢过程中，钢箱截面锚固工作分散，锚固耗时较长，在此过程只有完整考虑荷载对钢箱拱肋的作用，才能保证合拢截面连接板计算的安全性。

结构跨中合拢状态下，形成两铰拱受力体系，所受荷载主要包括自重和施工荷载；结构在拱脚合拢后形成无铰拱体系，承受温度荷载等对拱肋的作用。

2.2 受力行为分析

运用有限元分析程序Midas／Civil，建立主拱有限元模型，根据施工过程体系的转变，荷载形式的不同，以研究主拱受力行为的变化。

荷载：施工过程中合拢温度为20℃，分别计算升降温10℃在钢箱拱内产生的内力；

自重：按照材料的容重76.98kN／m3计算。

合拢过程钢箱拱受力行为变化如图3～图6所示。

钢箱合拢过程中，起吊就位时沿钢箱截面应力较小，两吊点处截面为起吊阶段控制截面。

拱顶合拢后，两铰拱体系承受结构自重，拱脚压应力值为6.38MPa，自重在拱内各截面引起的应力值变化不大。

合拢拱脚后其转化为无铰拱体系，升降温10℃状态下与自重作用下应力叠加，其应力值沿桥长方向变化较明显，L／4处截面位置主要承受轴向力。

根据不同荷载作用下在拱顶和拱脚引起的内力值见表1。

表1 拱顶和拱脚截面内力

3 实例计算

3.1 连接板数量拟定

根据钢箱拱肋合拢连接板数量参数化公式推导，就江津区夹滩笋溪河钢箱－砼拱桥拱肋临时合拢连接板的数量进行计算分析。

连接板几何参数：H＝2074mm、t＝10mm、h＝100mm、l1＝345mm。

按照作用组合Ⅰ和作用组合Ⅱ，可以得到仅含n1，n2的不等式，保证结构安全及满足经济性条件下n1，n2均为整数，代入数值在等式中计算，在两种工况下偏安全取值：拱脚部位n1＝3，n2＝2，拱顶部位n1＝2，n2＝2。

3.2 应力复核

在拱脚处按照对称原则顶底板分别布置3块连接板，腹板分别布置2块连接板，则其最不利应力可计算得

而在拱顶部位，按照对称布置原则分别在顶底板布置2块连接板，其最不利应力值为

因此，采用该种布置形式，既能保证结构受力需要，又能够减少施工环节措施，实现临时固定过程的快速安装，达到安全、经济的效果。

4 结 论

本文通过钢箱拱肋的合拢构造分析获得钢箱拱肋连接板的合理布置依据，以江津笋溪河大桥为例，验证连接板布置形式的合理性，可为类似工程提供参考。

拱顶连接板合拢后，在自重荷载作用下，按照两铰拱受力模型计算是合理的。

拱脚连接板合拢后，在外荷载作用下，应按照无铰拱受力形式计算，与自重作用下的截面应力按照叠加原理组合。

自重作用下钢箱拱以受轴压为主，而温度变化在成拱后引起的内力变化较大，其压弯特征明显。

[1] 周志祥.钢箱－砼组合拱桥结构设计原理[D].重庆：重庆交通大学，2010：12－13

[2] 李钊.浅谈新光大桥边拱拱肋拼装方案[J].山西建筑，2008（12）：324－325.

[3] 谢金康.钢箱梁现场拼装施工技术[J].铁道建筑技术2009（10）：70－72.

[4] 孙潮.陈宝春.陈友杰，等.钢管混凝土拱桥转体施工方法[J].工程力学，2001（3）：515－519.

[5] 蔡景毅.钢箱－砼组合拱桥吊装合拢技术研究[D].重庆：重庆交通大学，2011：54－55

[6] 叶见曙.结构设计原理[M].北京：人民交通出版社.2004：440－441

[7] GB50017－2003钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社.2003

[8] Slutter R G.Driscoll G C.Flexural Strength of Steel－Concrete Composite Beam[J].Journal of the Strucyural Division.ASCE.1965.91（2）：71－99.