钢拱架水箱预压试验及预拱度设置

蒋田勇，罗舟滔，江名峰

(1.长沙理工大学，湖南 长沙 410114;2.桂阳县农村公路管理站，湖南 桂阳 424400)

0 引言

钢拱架作为混凝土拱桥拱肋浇注的临时支架，其在混凝土浇筑过程中的稳定性和变形量直接影响混凝土浇筑的质量与安全，因此在施工前有必要对其进行预压试验。近年来，很多学者对支架进行了预压试验和研究，如狄宝才等对简支箱梁桥的移动模架进行了预压试验，荷载采用砂袋和钢筋，进行三级加载和卸载，观测了主梁和翼板各个测点的沉降，最后确定了移动模架受力构件的安全状况和模架模板的预拱度取值［1］;梁永平等结合兰新铁路第二双线某连续梁，通过建立有限元模型分析了支架变形，并与实测值进行比较分析，提出了衡量支架变形可靠性的方法，并对施工预拱度的合理设置［2］;刘三友等以MSS32－900 型下行式移动模架为试验对象，采用现场堆载预压试验方法模拟施工工况，测试移动模架的变形规律，得出梁底模跨中的预拱度值与堆载预压、预应力张拉及混凝土收缩徐变、残余徐变拱度值之间的关系和预拱度设置的计算公式［3］。总之，支架预压试验目前主要是以堆载预压法为主［4］，而目前国内对于水箱预压方面的研究和工程实例应用偏少。下面结合湖南郴州桂阳县龙江渡大桥钢拱架水箱预压的实际施工过程进行探讨。

1 工程概况

龙江渡大桥位于湖南省郴州市桂阳县，是欧阳海水库渡改桥而兴建的大桥。大桥是由25 m+90 m+25 m 三联拱组成，桥宽9.0 m。大桥主跨为等截面矩形双肋式钢筋混凝土拱桥，主拱圈轴线采用悬链线型，净跨90 m，矢高13 m，矢跨比F0/L0=1/6.923。主拱圈高度为1.8 m，单肋宽0.9 m。主拱圈由两条分离式拱肋、肋间横系梁及剪力撑等联成整体。桥面行车道系由行车道横梁和纵梁以及钢筋混凝土桥面板组成。桥面净宽为8.5 m，设计荷载为公路－Ⅱ级，人群荷载3.0 kN/m2。龙江渡大桥立面图，如图1 所示。

经综合分析龙江渡大桥所在区域的地形特点，选择悬拼钢拱架现浇砼拱圈的施工方法，即先吊装合龙钢拱架，然后在钢拱架上分段现浇主拱圈，最后完成主体施工。考虑到龙江渡大桥位于欧阳海库区，施工将会受到欧阳海水库水位的影响，即现有效可靠的施工水位仅有30 d，如仍按常规在拱脚段预留合龙段，并在最后阶段才浇注混凝土的施工顺序，则在有限的施工水位的情况下无法完成相应的施工进度。鉴于此，提出了一种新的施工方法，即拱肋混凝土纵向浇筑顺序为:①先在两拱脚7.3 m 长度(弧长)范围内对称浇筑1.8 m 高拱肋，留0.5 m 长的合龙段;②从拱顶向两边分别对称浇筑15 m 长度(压顶)，混凝土浇筑髙度为0.8 m;③从压脚段开始对称向上浇筑混凝土至压顶段位置，混凝土浇筑髙度为0.8 m，并在距离压顶段两端位置预留0.5 m 合龙缝;④采用膨胀混凝土浇筑四处合龙缝;⑤以不同节段浇注顺序进行第二环混凝土的浇注，其中拱脚段浇筑方向为从下往上、拱顶段浇筑方向为从正中往两岸方向对称进行、中间段从下往上浇筑以及直至浇筑合龙。

图1 龙江渡大桥立面图(单位:cm)

图2 贝雷钢拱架立面布置图(单位:cm)

拱肋的临时支架采用钢拱架结构，该拱架由321 桁架片(贝雷片)组拼，两片一组拼成列，列内每隔二片在上弦杆加一节特制短弦杆以保证拱架弧度，列与列之间为保证横向稳定，除去贯通每列桁架的上下弦横向支撑架外，再采用热轧槽钢加工剪刀架作横向联系，拱架两侧设置风缆，保证拱架整体稳定。现浇钢拱架由标准贝雷片节段、线形调整短弦杆组成，贝雷片其基本尺寸是长3.0 m、高为1.5 m的热轧槽钢、角钢焊接而成的长方形构件，每块自重为304 kg。贝雷片上下弦、腹杆杆件的材料均为16 Mn，下弦杆之间和贝雷片上弦杆与连接块之间都是采用轴销连接的，这种轴销是用高强钢锻造而成。由轴销将贝雷片连接成无中间支撑的拱片，拱片和拱片之间用横向连接件及螺栓将贝雷片拱片连接成拱架整体。图2 为贝雷钢拱架立面布置图，图3 为贝雷片细部构造图，图4 为贝雷钢拱架横桥向布置图。混凝土浇注之前必须对钢拱架进行预压试验，以期检验钢拱架的整体稳定性，消除钢拱架拼装过程中的非弹性变形，及时了解钢拱架在荷载作用下的实际工作状态。

图3 贝雷片细部构造图

图4 钢拱架横断面布置图(半截面)(单位:cm)

2 预压试验

2.1 预压方案

考虑龙江渡大梁施工工期紧，如果采用砂袋进行预压，则砂袋吊装受到限制，预压工期长，严重影响施工进度。如果采用水箱进行预压，可以直接利用欧阳海水库的水，根据现场的施工条件及实际情况，可用水泵直接送到水箱，施工方便、快捷［6］。荷载试验时，直接在龙江渡大桥钢拱架上搭设水箱支架，水箱的外围和底板均采用黑厚板拼围，外面用木方支撑加固;对水箱进行编号，根据荷载集度和预压加载程序往箱内加载，根据理论计算测量水面高度来控制加载重量［7］。在钢拱架上均匀分布20 个水 箱。水箱布置和预压加载顺序图如图5 所示。

图5 水箱布置和预压加载顺序图(单位:m)

2.2 预压试验程序

拱架预压试验主要是静载试验。第1 环混凝土浇筑强度达到90%以上后，再浇筑第2 环混凝土。第2 环混凝土的湿重由已浇筑形成强度的拱肋和钢拱架共同承担，但此时钢拱架的受力变化较小。钢拱架在预压加载过程中的最大重量以第1 环混凝土的最大加载重量来控制。根据施工方案，浇筑拱肋第一环混凝土时，两拱脚7.3 m 长度(弧长)范围内对称浇筑1.8 m 高拱肋，其余均为浇注0.8 m 高拱肋，再加上模板及脚手架和其它附加荷载共计3 526.1 kN。预压最大加载重量按1.1 倍重量来控制，即实际加载最大重量为3 879.4 kN。

试验方法采用预压荷载模拟主拱圈混凝土的浇筑过程，进行实际加载，验证并得出钢拱架的承载能力。在预压过程中，必须按照混凝土浇筑的顺序进行加载，且应左右对称，防止倾覆。记录下各观测点在空载时的初始标高，并将其作为基准标高。在加载过程中，按预压加载最大值的60%、80%、110%3个阶段观测拱架的变形，并每天安排一次读数。当加载到预压荷载之后，对钢拱架各测点的高程进行持续观测，并且持续时间不小于混凝土浇筑时间。钢拱架加、卸载现场照片，如图6 和图7 所示。

预压加载到最大值后，对钢拱架各测点高程进行观测，当钢拱架的挠度和弹性变形趋于稳定时，开始卸载。按预压加载时的分次分级进行逐步卸载，在卸载过程中对挠度进行观测，每卸下一级荷载，对测点的标高均进行一次测量，并做详细记录，在数据分析时与加载时的挠度数据进行比较［8］。根据加、卸载实测数据，绘制各测量点的加、卸载过程中钢拱架的变形曲线，计算拱架的弹性变形，以此作为预拱度设置的主要依据。

图6 预压加载

图7 预压卸载

2.3 测点布置

纵向布置7 个监测断面，分别为拱圈的L/8 截面，L/4 截面，3L/8 截面，L/2 截面，5L/8 截面，3L/4截面，7L/8 截面。试验监测点布置如图8 所示。观测时最好由同一测量人进行读数。每次观测都要对测点的标高进行记录，保存好原始数据，以备复核。

图8 试验监测点布置图

3 钢拱架有限元分析

3.1 钢拱架有限元模型

利用有限元软件Midas/Civil 对龙江渡大桥的钢拱架进行计算分析。拱架各节段采用梁单元进行模拟，拱架各个节段上下弦结点的连接方式为铰接，有限元模型(图9)采用铰结连接的处理方式，释放连接节点的弯矩;拱架其余节点的连接均刚接;拱脚段铰支座、上下弦杆的自由度均被约束。整个模型共有梁单元771 个，节点431 个。钢拱架采用16Mn钢，各杆件的弹性模量取206×109N/m2，泊松比为0.3，密度为7 850 kg/m3。

图9 钢拱架有限元模型

有限元模型静载加载工况分6 个工况，其中工况1 为拱架自重，工况2 为拱肋拱脚混凝土浇筑，工况3 为调平支架及模板等重量，工况4 为拱架拱脚段预压，工况5 为拱顶浇筑，工况6 为中间段浇筑。

3.2 钢拱架静力分析结果

1)在工况1(拱架自重)、工况2 ～6(拱肋混凝土浇筑各阶段)的荷载作用下，工况6 浇筑拱肋第1环中间段混凝土的时候，拱架上弦最大压应力120.8 MPa，位于拱架拱顶上弦杆处;拱架下弦最大压应力98.9 MPa，位于拱架拱脚端下弦杆处。上述应力均小于钢材的允许应力205 MPa，钢拱架结构的强度满足规范要求。

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2)在工况1(拱架自重)、工况2 ～6(拱肋混凝土浇筑各阶段)的荷载作用下，拱架下弦杆的最大挠度值均发生于拱顶，工况5 浇筑拱顶混凝土时，拱顶竖向下挠最大，其值为50 mm。由此可见，在浇筑拱顶段混凝土时，拱架的变形最为不利。

3)对拱架进行稳定分析时，按照第一类稳定问题进行特征值稳定分析。具体结果如下:在自重与施工荷载共同作用下，第1 阶失稳模态为拱架的横向对称失稳，对应的稳定系数为6.135;第2 阶失稳模态为拱架的竖向反对称失稳，对应的稳定系数为6.632。拱架第1 阶失稳模态对应的稳定系数6.135 满足拱桥横向稳定安全系数大于4 ～5 的要求。因此，在自重与施工荷载作用下，拱架的稳定性满足规范要求。

通过上述分析得出，龙江渡大桥钢拱架的整体强度、刚度和稳定性能够满足拱肋混凝土浇筑施工的受力、变形和稳定要求。

4 预压试验结果分析

在加载过程中，将不同预压荷载下钢拱架产生的实测挠度与理论挠度进行比较，如图10 ～图12所示。从图中可以得出，挠度的实测值与理论计算值吻合较好，表明钢拱架有限元模型的可靠性，能很好的反映贝雷钢拱架的实际受力状况。比较80%与110%实测挠度值，发现各截面挠度的变化值较小而且趋势一致，表明按照这种工序来浇筑拱肋混凝土时，钢拱架的变形均处在线弹性范围内，拱肋浇筑是可靠的。

图10 60%荷载预压实测挠度与理论挠度对比图

图11 80%荷载预压实测挠度与理论挠度对比图

图12 110%荷载预压实测挠度与理论挠度对比图

卸载完成后，整理加载和卸载过程中测得的数据，计算得出钢拱架的弹性变形和非弹性变形，为预拱度的设置提供数据。总沉降量=加载稳定后测得数据－空载状态下测得数据;弹性变形量=完全卸载后测量数据－加载稳定后测量数据;非弹性变形=总沉降量－弹性变形量［9］。数据整理结果得到各截面的弹性和非弹性变形值，如图13 所示。

图13 钢拱架预压变形曲线图

5 预拱度的设置

钢拱架的施工预拱度包括拱架的弹性变形和非弹性变形以及混凝土收缩徐变等引起的变形:

1)拱架承受施工荷载引起的弹性变形δ1;

2)受载后由于杆件接头的挤压和卸落设备压缩而产生的非弹性变形δ2;

3)由施工图设计文件提供的因恒载、主拱圈温度变化、混凝土收缩徐变以及拱座水平位移引起的变形δ3。

通过对龙江渡大桥预压试验和有限元模型的计算分析，最终得到了较为合理的钢拱架预拱度的留设值，如表1 所示。其中，X 表示截面距拱顶的水平距离。

表1 钢拱架各截面预拱度的设置

6 结论

钢拱架预压是钢筋混凝土拱桥现浇前的重要环节。水箱法预压具有操作简便、需要人工少、经济效益明显、施工进度快等特点。通过对龙江渡大桥钢拱架在预压试验过程中的有限元分析，以及对现场预压实测数据和理论数据进行对比分析，可以得到如下结论:

1)拱架复核验算表明，本桥所采用的悬拼贝雷拱架强度、刚度和稳定性均能满足龙江渡大桥主拱肋现浇施工要求。

2)挠度的实测值与理论计算值吻合较好，表明钢拱架的变形处在弹性范围内，钢拱架的承载能力能够满足拱肋混凝土的浇筑。

3)根据预压试验所得的数据设置了合理的预拱度，对有支架施工的拱肋底板标高的控制有一定指导意义，使拱桥成桥后的线形平顺、美观，且符合设计要求。

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