夜郎湖大桥劲性骨架腹杆构造形式优化研究

邹鹏辉，谢长洲

(重庆交通大学 土木建筑学院，重庆 400074)

夜郎湖大桥劲性骨架腹杆构造形式优化研究

邹鹏辉，谢长洲

(重庆交通大学 土木建筑学院，重庆 400074)

腹杆构造形式对劲性骨架自身受压稳定性及悬浇段与劲性骨架接头受力行为影响显著。贵州夜郎湖大桥拟采用悬臂浇筑与劲性骨架组合法施工，文章依托该工程实例，针对4种较合理的劲性骨架腹杆构造形式，从劲性骨架腹杆受压稳定性及悬浇段与劲性骨架接头受力行为两方面对腹杆构造形式进行了优化分析。

组合施工法；劲性骨架；接头；腹杆；优化研究

0 引言

近年来国内采用悬臂浇筑法陆续建成了四川白沙沟1号大桥(150 m，2008年)、攀枝花新密地大桥(182 m，2013年)、贵州木蓬大桥(165 m，2013年)。国内外研究表明，随着拱桥跨度的增大，悬挂拱圈节段的扣索力呈级数倍增。采用悬臂浇筑与劲性骨架相结合的施工方法，即拱脚区段采用挂篮悬臂浇筑法施工、跨中区段先用劲性骨架合龙成拱，再浇筑外包混凝土，不但可以缩短拱圈悬臂浇筑段长度，降低对扣锚系统的要求，而且可以尽快实现拱圈合龙，减少施工风险，缩短建设工期。

贵州夜郎湖大桥拟采用悬臂浇筑与劲性骨架组合法施工，劲性骨架腹杆构造形式对自身受压稳定性及悬浇段与劲性骨架接头受力行为影响显著。本文开展了劲性骨架腹杆构造形式的研究，既可以指导依托工程的设计和施工，也可以为类似工程提供借鉴资料。

1 工程概况

贵州夜郎湖大桥是一座净跨210 m、净矢高42 m、拱轴系数m=1.677的钢筋混凝土拱桥(见图1)。主拱圈采用单箱单室截面，高3.5m，宽7.0m，顶底板厚40cm，腹板厚50cm，C50混凝土。劲性骨架弦杆采用热轧H型钢HW400×408×21×21，腹杆、平联采用4片L75×10角钢组成。劲性骨架上、下弦杆埋入拱箱混凝土长2.5m。

夜郎湖大桥自拱脚两侧各91m跨度范围内采用悬臂浇筑法施工，跨中劲性骨架段长28m。先架设劲性骨架合龙成拱，再浇筑外包混凝土。

图1 夜郎湖大桥劲性骨架 架设完成阶段示意图

2 原设计劲性骨架腹杆构造需优化的缘由

夜郎湖大桥原设计劲性骨架腹杆构造形式如图2～3所示。

图2 夜郎湖大桥原设计劲性骨架立面图(单位：mm)

图3 夜郎湖大桥原设计劲性骨架平面图(单位：mm)

采用悬臂浇筑与劲性骨架组合法施工的拱桥，主拱圈悬臂浇筑段与劲性骨架接头处受力复杂，是设计的关键部位，需进行精细化受力分析。依据接头精细化实体模型计算结果，上、下弦杆均承受10t向下的剪力作用(单根弦杆在各施工阶段所受最大剪力约为10t)。上弦杆锚固点处接头混凝土为压应力，下弦杆锚固点处接头混凝土为拉应力，因此，接头下弦杆锚固点在较小的剪力作用下可能会导致接头混凝土局部崩裂，而接头上弦杆锚固点不存在接头混凝土受剪局部崩裂的问题。

此外，通过对夜郎湖大桥(原设计劲性骨架)进行施工阶段稳定性分析(劲性骨架段外包混凝土底板+1/2腹板浇筑阶段，以该阶段外包混凝土底板+1/2腹板湿重为基本荷载)，发现前几阶失稳均为劲性骨架腹杆失稳，且均为斜腹杆(压杆)失稳，可知斜腹杆(压杆)是施工过程中最易发生失稳的部位。第1阶屈曲模态图见图4，临界荷载系数为5.316>4(第2阶屈曲模态为对称位置的腹杆屈曲，屈曲荷载系数5.326，因是数值分析结果，视为与第1阶屈曲荷载系数相同)，虽然原设计劲性骨架腹杆构造满足规范规定的施工阶段稳定性要求，但由于施工阶段荷载的不确定性，为进一步确保施工阶段安全，可改善腹杆构造以进一步提高劲性骨架的稳定系数，从而提高全桥整体在施工过程中的稳定性。

图4 外包混凝土底板+1/2腹板浇筑阶段 第1阶屈曲模态图(原设计劲性骨架)

因此，本文从悬浇段与劲性骨架接头受力行为及劲性骨架腹杆受压稳定性能两方面进行腹杆构造形式优化。

3 腹杆合理构造形式

借鉴国内外采用劲性骨架组合法施工及全劲性骨架法施工的已建拱桥工程实例，经有限元试算并统计，3种较合理的劲性骨架腹杆构造形式见图5～7。

图5 腹杆构造形式2示意图

图6 腹杆构造形式3示意图

图7 腹杆构造形式4示意图

依据结构力学原理，因劲性骨架受力行为与桁架结构相近。可将图2～3、图5～7所示的劲性骨架腹杆合理构造形式简化为图8～11的简化力学模型进行理论分析(简化力学模型可无限增加循坏杆件，同类杆件受力相同)。跨中区传递的相同剪力F作用下劲性骨架各杆件所受内力如图中所示。

4 基于悬浇段与劲性骨架接头抗剪的腹杆构造形式优化

依据悬浇段与劲性骨架接头精细化实体模型(见图12)计算结果，如图13所示，相同剪力作用下，上弦杆锚固点处接头混凝土基本为压应力；而下弦杆锚固点处接头混凝土较大区域产生主拉应力，可能引发接头混凝土局部崩裂，构造形式1(原设计)的斜腹杆为压杆，劲性骨架跨中区的剪力以斜腹杆轴向压力竖向分力的形式传至下弦杆锚固点。所以，构造形式1对于接头抗剪不利。因此，可采用腹杆构造形式2(见图9)，利用斜腹杆(拉杆)将剪力“引”至接头上弦杆锚固点，从而减缓下弦杆处接头混凝土受剪崩裂的压力。

构造形式3、4的斜腹杆既有拉杆又有压杆，虽其斜腹杆内力是构造形式1、形式2的斜腹杆内力的1/2。但仍有剪力以斜腹杆轴向压力竖向分力的形式传至下弦杆锚固点。因此，构造形式2为悬浇段与劲性骨架接头抗剪最优形式。

图12 半宽拱圈接头精细化实体模型图

图13 上、下弦杆剪力作用下接头混凝土主拉 应力云图 (单位：Pa，彩色区域超过0.5 MPa)

5 基于受压稳定性的腹杆构造形式优化

劲性骨架在相同剪力F作用下，腹杆受力状况如表1所示。

表1 腹杆受力状况统计表

由表1可知，原设计劲性骨架腹杆的相对稳定系数最小，构造形式2、形式3和形式4腹杆的相对稳定系数基本相同。构造形式3和形式4竖腹杆为零杆，因构造形式4的竖腹杆与斜腹杆相交，有助于提高斜腹杆的稳定性，故构造形式4优于构造形式3；但构造形式3、形式4的斜腹杆材料用量比构造形式1、形式2的多一倍。

以下通过有限元程序验证表1所示受压腹杆相对稳定系数理论分析结果，当劲性骨架腹杆采用构造形式2，重新对夜郎湖大桥进行施工阶段稳定性分析(劲性骨架段外包混凝土底板+1/2腹板浇筑阶段，同样以该阶段外包混凝土底板+1/2腹板湿重为基本荷载)。此时，前10阶失稳均为劲性骨架竖腹杆失稳。第11阶失稳为劲性骨架下弦杆失稳，图14所示为第1阶屈曲模态，临界荷载系数为7.861(7.861≠31.25/16×5.316=10.383，原因在于劲性骨架简化为桁架结构带有较大的近似性)，大于原设计劲性骨架在相同工况下的临界荷载系数5.316，证明了针对受压稳定性的腹杆构造形式优化是有效的。

图14 外包混凝土底板+1/2腹板浇筑阶段 第1阶屈曲模态示意图(腹杆构造形式2)

6 结语

对于悬浇段与劲性骨架接头抗剪，构造形式2为最优形式。对于腹杆受压稳定性及其材料用量综合情况，构造形式2亦为最优形式。因此，采用悬臂浇筑与劲性骨架组合法施工的拱桥劲性骨架腹杆宜采用构造形式2。

[1]土木工程学会，结构工程协会，大跨度混凝土拱桥设计方法研究委员会.600m级大跨度混凝土拱桥设计·施工[Z].2003.

Optimization Study on Rigid Skeleton Web-rod Structure Form of Yelang Lake Bridge

ZOU Peng-hui，XIE Chang-zhou

(School of Civil Engineering and Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing，400074)

The web-rod structure form has a significant effect on its own compressive stability of rigid skeleton and on the force action of joints between rigid skeleton and cantilever casting section.Guizhou Yelang Lake Bridge intends to adopt the combination construction method of cantilever pouring and rigid skeleton，thus relying on this engineering example，regarding four reasonable rigid skeleton web-rod structure forms，this article conducted the optimization analysis on the web-rod structure forms from two aspects，i.e.web-rod compression stability of rigid skeleton，and the force action of joints between cantilever casting section and rigid skeleton.

Combination construction method；Rigid skeleton；Joints；Web rods；Optimization study

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.06.011

1673-4874(2015)06-0044-04

2015-05-07

邹鹏辉，硕士研究生，主要从事拱桥设计理论及施工控制技术研究工作。

贵州省交通运输厅科技项目“悬臂浇筑与劲性骨架组合的大跨度砼拱桥技术关键与示范”(2014-121-033)