拱桥施工中三种常用钢拱架简要比较 8页

拱桥施工中三种常用钢拱架简要比较拱桥施工中常采用钢拱架作为施工支架，尤其在西部山区。常用的钢拱架为桁式拱架，它一般由多榀拱形桁架构成，每一榀均由标准节段、拱顶节段、拱脚节段等组成。根据拱架节段的不同类型，桁架式拱架又分为贝雷梁片拼装式拱架、六四军用梁片拼装式拱架、可微调式钢拱架等几种不同型式。在大量研究钢拱架的文献中，大都侧重于对单一型式钢拱架的研究，对不同型式钢拱架的对比研究较少，本文拟从不同型式钢拱架的构造特点以及在拱桥施工中的结构行为两方面作一个简要比较。1.三种常用钢拱架的构造特点及应用上的优劣1.1贝雷梁拼装式钢拱架早期的贝雷梁主要应用于军用桥梁，在二战初期，由英国唐纳德工程师设计，为米字形桁架腹杆体系。如今广泛运用于桥梁施工的贝雷梁为我国于20世纪60年代定型生产的‘321桁架梁’，图1.1为单片贝雷架结构示意图。l一横梁夹具孔；2、6、8、11一支撑架孔；3—32字钢；4一阴头；5、9、14一弦杆螺栓孔；7一上弦杆；lO一阳头；12、13一风构孔；l5一槽钢；16一横粱垫板；17一下弦杆；18一斜撑图1.1贝雷片钢拱架标准节段立面示意图单片的贝雷桁架是组成贝雷梁拼装式拱架的主要单元，除此之外一般还有梯形件、异形支承片、拱脚段构件等，组成拱架的各构件的内部互相刚接，构件与构件之间用销钉连接。 它具有构件简单、单片重量较轻、运输拆装较方便、适应性强等优点。但它也有一些不足：由于单片贝雷片平面尺寸为3m×1.5m的矩形桁架片，不能完全拟合圆弧形或者悬链线型的拱轴线，只能以折线的形式进行拟合，并且折线方向的长度只能是3m的倍数；由于拱轴线的跨度以及矢跨比的不同，用标准的梯形构件和定长的贝雷片很难恰好拟合，导致拱脚调节段较大的随意性；由于拱架上弦与下弦的曲率不同，理论弦长不一，用3m×1.5m的矩形贝雷桁架片拼成拱架后即使拱轴线为圆弧线，上下弦将出现1.5θ的差异，而这个差异是要用梯形构件来调整的，这就需要较多的梯形件，增加了施工的工序，并且在实际拼装过程中，若理论位置与实际位置稍微有出入，将导致拱架很难合拢或需重新加工梯形构件；另外，贝雷桁架片在高度方向的尺寸不是太大，其刚度也较低，实际工程中往往以加密横向榀数来满足施工承载力的要求。1.2六四军用梁拼装式钢拱架六四式铁路军用梁是我国自行研制的，于一九六四年六月经国务院军工产品定型委员会批准设计定型，最早用于铁路桥梁抢修，近年来被广泛运用于拼组各种架桥机,各种施工支架、龙门吊以及施工拱桥的钢拱架等，图1.2为六四军用梁片钢拱架标准节段立面示意图。图1.2军用梁片钢拱架标准节段立面示意图六四军用梁拼装式钢拱架主要由标准三角①、端构架、标准弦杆、端弦杆、斜弦杆、撑杆以及平联横梁组成。单片的军用梁片是组成军用梁拼装式拱架的主要单元，其平面尺寸为4m×1.9m 的矩形桁架片。它同样具有构件简单、单片重量较轻、运输拆装方便、标准化程度高等优点。但它也有几点不足：当拱架实际就位的位置和理论值有出入时，容易导致钢拱架很难合拢或者需要重新加工下弦杆才能合拢；不同位置的下弦杆在施工过程中很容易混淆，纠正费时费力；六四军用梁拼装式钢拱架的单片基本构件的重量相应较大，对施工起吊的要求更高；六四军用梁拼装式钢拱架还有一个不足是其下弦杆已经接近4m，这样的话其长细比较大，压杆稳定系数小，对弦杆受压工况不利。相比贝雷梁拼装式钢拱架来说，其断面高度（1.96m）有了较大的提高，刚度相对较大，而用加大截面高度来提高承载力的方法也是经济的。1.3可微调式钢拱架可微调桁架片拼装式钢拱架是最近两年才开始应用于拱桥施工中，它是在已有的贝雷梁拼装式钢拱架以及六四军用梁拼装式钢拱架的基础上发展起来的，并汲取了两者的优点，是一种富余强度多施工方便的较为新型的钢拱架，图1.3为可微调式钢拱架标准节段立面示意图。图1.3可微调式钢拱架标准节段立面示意图该型式钢拱架由基本节段和联结系构成。基本节段和联结系内部均为全焊结构，它们之间用螺杆、销子和螺栓连接。为更好地拟合拱轴线，其中的基本节段除标准节段外还有调节节段、拱顶节段、拱脚节段等。可微调桁架片拼装式钢拱架一个明显的特点是上弦杆纵向接头长度是可以微调的，其基本节段的上弦杆两端分别由调节螺杆的阳端和阴端组成，阳端螺杆和阴端螺杆均为T型螺纹，螺杆通过与调节锚固构件内的螺纹相配合，微调上弦杆纵向接头长度，见图1.4、1.5。 图1.4可微调钢拱架上弦阴端调节件图1.5可微调钢拱架上弦阴端调节件单片的可微调式桁架片是组成可微调式拼装式拱架的主要单元，其平面尺寸约为4m×2.2m的矩形桁架片。和前两种钢拱架相比，它还有有如下优点：可微调桁架片拼装式钢拱架的上弦杆通过螺杆与调节锚固构件内的螺纹相配合，上弦杆纵向接头长度可微调，它的适应性更强；可微调桁架片拼装式钢拱架的截面高度提高到了2.2m，对于构件的承载能力是个很好的保证；并且，相对于六四军用梁拼装式钢拱架来说，其下弦杆的长度减少了约一半，对于下弦杆受压工况是相对有利的。1.三种常用钢拱架在拱桥施工中结构行为比较2.1有限元模型为了比较三种常用钢拱架在拱桥施工中的结构行为，利用MIDAS软件建立各种型式钢拱架空间有限元模型进行了全施工过程的分析。其中可微调式钢拱架严格按遵义水泊渡桥实际钢拱架建立，其余两种钢拱架与水泊渡桥实际钢拱架的外弧半径（包括矢高）相同。水泊渡钢拱架为圆弧形钢拱架，圆弧半径89.2m，两拱脚铰中心的跨径L=108.42m,相应矢高为18.33m，轴线长度116.503m,宽8.3m。沿弧向共用31片（其中拱脚节段和调节节段各2片，标准节段26片，拱顶节段1片，沿弧向共计31片）、横向分5组，共计155片，整体布置见图1.6.图1.6水泊渡桥钢拱架立面布置图 模型中，贝雷片拼装式钢拱架、军用梁片拼装式钢拱架、可微调式钢拱架总的用钢量分别为:264.7t、169.1t、169.9t。图1.7～1.8是可微调式钢拱架的整体模型图及其局部放大（其余两种钢拱架模型未详列）。图1.7可微调拼装式钢拱架模型（整体）图1.8可微调拼装式钢拱架模型（局部）2.2三种钢拱架结构行为比较为进行三种钢拱架在拱桥施工中的比较，提取了各钢拱架在各施工阶段跨中上、下弦杆应力计算值及跨中挠度计算值进行分析。见表1.1，其中的施工阶段号依次代表拱架成型、浇筑底板拱脚段、浇筑底板拱顶段、浇筑底板拱中段、浇筑腹板拱脚段、浇筑腹板拱顶段、浇筑腹板拱中段、浇筑顶板；拱架型式Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别代表贝雷拼装式、军用梁拼装式、可微调式钢拱架。表1.1三种常用钢拱架在拱桥施工中计算值对比列表拱架型式施工阶段跨中上弦杆应力（MPa）跨中下弦杆应力（MPa）跨中挠度（cm）ⅠⅡⅢⅠⅡⅢⅠⅡⅢ1-17.6-23.4-15.8-12.5-13.1-13.8-1.36-1.46-0.962-14.0-21.7-7.8-44.2-42.7-51.81.31-0.541.263-75.9-135.0-71.5-7.83-12.1-22.3-4.93-7.24-4.174-74.8-143.0-82.1-51.2-59.2-51.1-5.65-8.51-5.715-64.1-131.0-68.2-63.1-67.7-64.8-4.46-7.40-4.076-92.1-174.0-89.7-39.6-44.5-46.3-6.48-9.80-6.217-88.2-168.0-94.9-48.9-53.4-51.9-6.50-9.63-6.378-100.0-185.0-109.0-54.5-56.3-54.9-7.50-10.7-7.44 将上表中跨中上弦杆应力、跨中挠度整理成对比图，见图1.9～1.10.图1.9跨中上弦杆应力对比图图1.10跨中挠度对比图由上可得到：三种钢拱架同一结构行为（主要指跨中弦杆应力、挠度）在同样的施工过程中，其整体变化趋势是基本一致的，且可看到变化最明显的阶段均出现在施工拱圈底板的过程中。贝雷片拼装式钢拱架、可微调式钢拱架在拱圈施工过程中表现的强度、刚度较为接近，且相对军用梁片式钢拱架，性能更佳；但从用钢量来说，贝雷片拼装式钢拱架的用钢量是可微调式钢拱架的1.56倍，由此，认为可微调式钢拱架是较为优化的钢拱架型式。1.结论（1）.从构造上来说，相比贝雷梁拼装式钢拱架与军用梁拼装式钢拱架而言，可微调拼装式钢拱架的上弦杆通过螺杆与调节锚固构件内的螺纹相配合，上弦杆纵向接头长度可微调，其适应性更强。（2）三种钢拱架同一结构行为（主要指跨中弦杆应力、挠度）在同样的施工过程中，其整体变化趋势是基本一致的。（3）从施工过程结构行为的角度，结合用钢量的比较，认为可微调式钢拱架是较为优化的钢拱架型式。 参考文献：[1]顾懋清，石绍甫主编.公路桥涵设计手册：拱桥（上册）.人民交通出版社,1996年.[2]万景刚.钢拱支架在拱桥施工中的应用与研究.贵州大学硕士学位论文,2009,6.[3]许克宾主编.桥梁施工.中国建筑工业出版社,2004[4]黄绍金，刘陌生编著.装配式公路钢桥多用途使用手册.人民交通出版社,2001，6.[5]中国铁道建筑总公司.六四式/加强型六四式军用梁铁路军用梁手册(增订版)[M].北京:中国铁道建筑总公司,1998[6]杨虎根，叶茂权等设计.120m钢拱架设计图.中交公路规划设计院有限公司,2008，3.[7]贵州交通规划勘察设计研究院.水泊渡泵站管桥一阶段施工图设计.2008.12[8]庄年.七星关大桥贝雷钢桁拱架的设计与施工.大连理工大学硕士学位论文,2005,3.[9]吴成智.底那河大桥拱架施工控制.大连理工大学硕士学位论文,2007,6.摘要:介绍了三种常见钢拱架的构造特点，并利用MIDAS软件建立相应钢拱架的空间有限元模型，得到可微调式钢拱架是较为优化的拱架结构型式。关键词：钢拱支架、拱桥施工、应力、挠度Abstract:Thispaperintroducesthecharacteristicsofstructureandmechanicsofthedifferentsteelarchcenterings,andthenbuildsspacefiniteelementmodelofthedifferenttypesofsteelarchcenteringsbytheuseofsoftwareMIDAS,finally,theresultisobtainedasfollow:steelarchcenteringoffine-adjustmenttypeistherelativelyoptimalconstructiontypeofsteelarchcentering.Keywords:Steelarch centering；Archbridgeconstruction；stress;deflection