60m跨架拱施工力学分析及对应措施.doc

60m跨刚架拱施工力学分析及对应措施 作者 李道远(广东省韶关市公路工程有限公司) 【摘要】大型桥梁工程既汇集数理力学、岩土、材料、结构力学等学科及现代施工管理于一体，也是公路建设项目的控制性工程。本文以力学分析及对应措施这一环节对刚架拱桥施工过程实践进行探讨。 【关键词】刚架拱 力学 措施 　　《公路桥涵施工技术规范》编制说明“16拱桥”的一般规定中，要求施工技术人员必须掌握施工过程中的结构强度和稳定性验算，对各个施工状态下的结构安全系数心中有数。　　本文从力学角度分析广东省乐昌市梅(花)乐(昌)公路乐昌大桥3孔60m钢筋混凝土刚架拱施工过程。 1.工程概况 梅乐公路乐昌大桥位于乐昌市区榴村，跨越北江干流武江河，是梅乐公路的控制性工程。桥梁全长418.70m，其中主桥长238.70m，主要孔跨为+3-60.0m预制装配式钢筋混凝土刚架拱，两端接20m预应力梁桥。桥面宽度20m，其中15m行车道、2×2.5m人行道，设计荷载为公路-Ⅱ级。设计单位为广东粤路勘察设计有限公司，施工单位为广东韶关市公路工程有限公司。该工程于2005年12月开工，于2008年1月主体完工，现已进入后期收尾阶段，各部位及各类检测数据表明：符合设计及规范要求。 2.拱架力学分析 2.1拱架的受力特性 拱是一种有推力的结构，它的主要内力是轴向压力。拱在荷载P的作用下，拱脚支座产生水平反力H(也叫推力)，它起着抵消荷载P引起的弯曲作用，从而将荷载引起的弯矩转为轴向压力的受力形式。在结构力学中，拱杆任意截面的内力为： @G25-1.gif align=center 式中，M0与V0为相应简支梁的弯矩和剪力。 从公式M=M0－H·y表明：水平推力H与y的乘积愈大，拱杆截面的弯矩值愈小。理论上，可以通过改变拱的轴线，使拱杆各截面的弯矩为零，只承受轴向力的作用。拱处于无弯矩状态的拱轴曲线，即M=0，称为拱合理轴线。但公路桥梁的拱架结构并不是只承受单一固定荷载，因此，就很难找出一条合理的拱轴来适应各种荷载，而只能根据主要荷载确定合理的拱轴，使拱身主要承受轴力，尽量减少弯矩。以均布重力荷载为主要作用荷载时，合理拱轴为抛物线。本施工图拱顶实腹段范围内按二次抛物线分配，拱腿范围内按直线变化(见图1)。 2.2 拱架的稳定问题 拱架虽然能够将荷载产生的弯矩转化为轴向力(并非全部，只是以轴向力为主)，而轴向力产生的压力对于受压杆件来说，它的极限承载能力根据破坏性质分为强度极限状态和稳定极限状态。按照压杆在受荷加载过程中，平衡即稳定状态是否发生质变这一点，压杆的失稳可以分为第一类失稳和第二类失稳。 第一类失稳是简支轴心受压杆的失稳，受压杆在临界荷载时的临界应力为 　　@G25-2.gif align=center 　　可见，临界应力σE与弹性模量(E)、杆端的约束条件(μ)和杆的长细比或柔度系数(λ)有关，而与材料的屈服强度σS无关。 第二类失稳理论上认为，受压杆件有初始缺陷(如变形或偏心等)。当荷载达到一定值时，杆件在应力较大的区域出现塑性变形，刚度下降，结构也因此失去平衡而破坏。第二类稳定问题是以第一类稳定的临界荷载作为稳定极限荷载的渐近值，因此，第一类稳定问题的临界荷载是第二类稳定问题稳定极限承载力的上限。 严格地说，由于结构构件制作安装的误差、材料的均一性、荷载受力点的偏差、天气、地点等客观外界影响，工程实际施工中第一类稳定问题是不存在的。然而，第一类稳定问题在简单情况下可以得出数学解析解答，对稳定问题具有很强的理论意义，其计算方法仍被广泛应用于工程领域中。在实际应用中，采用第一类稳定问题计算方法进行稳定计算时，均要求有较大的稳定系数，亦称安全系数。 施工过程实际上就是将各种误差、偏差、缺陷及影响减少到最低、最少，以准确达到设计文件的要求及效果。反之，将上述问题扩大化，则效果肯定是达不到设计要求，轻则造成病害，重则产生质量事故、危及安全或影响桥梁的使用寿命等。 此外，在多跨拱桥施工中，由于各孔施工不可能同时进行，存在着后安装拱片的中间支座要承受先安装的相邻拱片所施加的水平推力问题。较大的水平推力的存在可能影响中间桥墩的稳定。本大桥每孔由7片拱组成，在安装拱片过程中也存在先后之分。但仅仅一片拱，在有支架的条件下。所产生的水平推力是有限的。经过简单计算，确定不会对中间桥墩造成位移。 3.刚架拱的施工过程力学分析 在对刚架拱上述力学分析了解的基础上，认真详细地阅读了设计图和施工规范(见图2)，召开了有关技术会议进行讨论，统一认识到本项目刚架拱施工的关键部位即难点有4点。 3.1实腹段内B-C-B依二次抛物线成形是保证拱圈达到合理轴线的关键部件，而设计要求实腹段预拱度设置更是合理轴线所要求的难点之一。 3.2 B点是拱腿和实腹段、弦杆交接头，力学分析中的变异点，直线与拱圈抛物