××大桥拱圈浇筑过程中拱圈支架的受力分析××大学应用力学研究所目 录1.工程概况 (1)2.有限元分析模型的建立 (1)2.1.结构模型的简化 (1)2.2.材料说明 (3)2.3.按设计说明要求进行整体计算 (3)2.3.1.拱架位移 (4)2.3.2.拱架应力 (5)2.3.3.拱架稳定 (5)3.砼施工过程中拱架受力计算 (6)3.1.荷载的简化 (6)3.2.施工阶段的模拟 (7)4.各施工阶段拱圈支架的受力情况 (7)4.1.第一阶段：拱架自重，拱盔荷、载风荷载作用 (7)4.1.1.拱架位移 (7)4.1.2.拱架应力 (8)4.2.第二阶段：对称浇筑拱脚段22.447m底板 (8)4.2.1.拱架位移 (8)4.2.2.拱架应力 (9)4.3.第三阶段：浇筑拱顶段30.762m底板 (9)4.3.1.拱架位移 (9)4.3.2.拱架应力 (10)4.4.第四阶段：对称浇筑1/4跨段20.073m底板（底板合拢） 104.4.1.拱架位移 (10)4.4.2.拱架应力 (11)4.5.第五阶段：对称浇筑拱脚段22.72m腹板 (11)4.5.1.拱架位移 (11)4.5.2.拱架应力 (12)4.6.第六阶段：浇筑拱顶段31.137m腹板 (12)4.6.1.拱架位移 (12)4.6.2.拱架应力 (13)4.7.第七阶段：对称浇筑1/4跨段20.318m腹板（腹板合拢） 134.7.1.拱架位移 (13)4.7.2.拱架应力 (14)4.8.第八阶段：对称浇筑拱脚段23m顶板 (14)4.8.1.拱架位移 (14)4.8.2.拱架应力 (15)4.9.第九阶段：浇筑拱顶段31.513m顶板 (15)4.9.1.拱架位移 (15)4.9.2.拱架应力 (16)4.10.第十阶段：对称浇筑1/4跨段20.563m顶板（顶板合拢） 164.10.1.拱架位移 (16)4.10.2.拱架应力 (17)5.各施工阶段拱圈支架的稳定情况 (17)5.1.整体稳定计算 (17)5.1.1.浇筑底板时拱架的整体稳定计算 (17)5.1.2.浇筑腹板时拱架的整体稳定计算 (18)5.2.局部稳定计算 (19)5.2.1.上弦杆局部稳定计算 (20)5.2.2.下弦杆局部稳定计算 (20)5.3.抗风倾覆性验算 (22)6.总结 (22)7.结论与建议 (23)1. 工程概况××大桥是××至四级公路项目中的一座大型桥梁，里程桩号K0+177.675～K0+327.325，桥梁全长149.65m ，桥型布置为：2x10m （钢筋混凝土空心板）+1x105（箱型拱）+1x10m （钢筋混凝土空心板），主桥桥宽9.0m 。
××大桥主桥为上承式钢筋混凝土单箱双室拱桥，主拱圈高度 1.95m ，宽7.0m ，主孔净矢跨比5100=L f ，悬链线拱轴线，拱轴系数756.1=m ，拱顶设计预拱度13cm 。
拱脚段顶、底板厚度30cm ，中间节段厚度为25cm ；底板弧长115.802m ，其中拱脚段弧长2×6.981m ，中间段弧长101.84m 。
图1 主桥桥跨布置图采用支架现浇施工，支架采用钢拱支架，主要构件为六四军用梁标准三角架和下弦杆。
沿桥面横向分为6组，每组两片。
标准三角架高度为2.0m ，上弦节间长度为4.0m ，长下弦杆长度3.71m ，短下弦杆长度3.60m ，材料为16Mn 钢，共需要标准三角架156块，端三角架12块，下弦杆174组（含合拢断预拱脚自制下弦杆），销子984个。
2. 有限元分析模型的建立2.1. 结构模型的简化按照拱圈设计图纸对拱架进行了拼装设计，且用大型通用有限元分析软件MIDAS 建立有限元分析模型，模型如下图所示。
图2 有限元整体模型简图图3 拱脚局部模型放大图（拱脚）图4 拱顶局部模型放大图（合龙段）标准三角架、端三角架、上下横向联系用梁单元模拟，其尺寸及横截面形状按照设计图纸及现场量取建立，各组支架间的所有剪刀撑连接采用桁架单元模拟，横截面积按照实际情况取。
按照销子的位置，设定各有关部件之间的铰链连接，其示意图如下。
图4 铰链位置示意图2.2.材料说明标准上、下主受力弦杆采用16＃拼接槽钢，现场加工上、下弦杆采用25＃槽钢，端三角主斜腹杆采用16＃拼接槽钢，基本三角架主斜腹杆采用10＃槽钢，竖腹杆、小斜腹杆采用L70×70×6角钢，三角桁架腹杆接的连杆采用L80×80×8角钢，单片三角桁架自身上下弦杆间的联板采用不同厚度的钢板相连（在此不再详述）。
贯通横向联系采用C10＃槽钢，剪刀撑横向联系采用L80×80×8角钢。
2.3.按设计说明要求进行整体计算（1）钢拱架受力分析采用的计算荷载，考虑以下几点：a.拱圈底板自重的1.15倍，并计入超重系数1.05，容重取值要计入钢筋重量，经换算得钢筋砼容重为 2.687t/m3，拱圈底板自重计算荷载为（2×6.981×2.4175×2.687＋101.84×2.185×2.687）×1.15×1.05＝831.49t。
b.模板自重，28＋20＝48t。
c.钢拱架顶面至底模板之间的支架重量，25t。
d.机具与施工人同的重量，10t。
e.泵送混凝土应计a动力系数1.2，本桥施工不采用泵送砼，采用缆索吊运送砼，动力系数基本可以忽略，出于安全起见，亦取1.1的动力系数。
f.风荷载，按《建筑结构荷载规范》第7.1.1条计算；ωk＝βzμsμzω0=1.95×1.3×2.17×0.3＝1.65 kN/m2。
g.拱架自重160t。
2.3.1.拱架位移最大竖向位移发生在拱顶，为8.9cm。
2.3.2.拱架应力拱脚附近上弦杆有最大压应力，其值为：235MPa<260MPa，满足强度规范要求。
2.3.3.拱架稳定拱架稳定分析通过分析可知，拱架的整体稳定安全系数为4.133>4，满足机构整体稳定要求。
3.砼施工过程中拱架受力计算3.1.荷载的简化拱圈浇筑过程中，拱架作为承载结构，考虑自重，施工荷载当作外力作用在拱架上，砼按激活单元的方法自动计入。
根据实际情况，各荷载如下：1、拱架自重，160t；2、拱架顶面至拱圈底模板之间的支架重量，共计：25t；3、底模板重量：28t；4、辅助钢管及马蹄形模板重量20t；5、拱圈两拱脚6.981m（弧长）范围内底板钢筋砼重量合计：90.7t；6、拱圈剩余段底板101.82m（弧长）钢筋砼重量合计：597.9t；7、拱圈两拱脚7.114m（弧长）范围内底板钢筋砼重量合计：92.4t；8、拱圈剩余段顶板114.4m（弧长）钢筋砼重量合计：671.7t；9、拱圈腹板钢筋砼重量：248t；10、横隔板钢筋砼重量：123.78t；11、排架底座钢筋砼重量：148.4t12、腹模板重量：20t13、腹板钢管支架重量15t14、顶模板重量15t15、顶板支架重量15t16、机具、施工人员重量及砼振捣力，按1 kN/m2的集度，平均分布在拱架施工区域顶面上。
17、风荷载，按《建筑结构荷载规范》第7.1.1条计算；ωk＝βzμsμzω0=1.95×1.3×2.17×0.3＝1.65 kN/m2情况说明：1、拱圈底板、腹板、顶板、隔板的重量，按钢筋砼的方量乘以容重求得，2.68t/m3。
3.2.施工阶段的模拟拱圈的浇筑过程分如下几个阶段：1、对称浇注拱脚段（22.447m长）底板砼；2、浇筑拱顶段（30.762m长）底板砼；3、对称浇筑1/4跨段（20.073m长）底板砼，底板合拢；4、对称浇筑拱脚段（22.72m长）腹板及相应横隔板砼；5、浇筑拱顶段（31.137m长）腹板及相应横隔板砼；6、对称浇筑1/4跨段（20.318m长）腹板及相应横隔板砼，腹板合拢；7、对称浇筑拱脚段（23m长）顶板砼；8、浇筑拱顶段（31.513m长）顶板砼；9、对称浇筑1/4跨段（20.563m长）顶板砼，顶板合龙；4.各施工阶段拱圈支架的受力情况4.1.第一阶段：拱架自重，拱盔荷、载风荷载作用4.1.1.拱架位移最大竖向位移发生在拱顶，为2.0cm。
拱顶附近上弦杆有最大压应力，其值为：66MPa<260MPa，拱脚上弦杆附近亦有最大压应力65 MPa，满足强度规范要求。
4.2.第二阶段：对称浇筑拱脚段22.447m底板4.2.1.拱架位移最大竖向位移发生在砼施工端部附近，为2.3cm。
拱脚附近下弦杆有最大压应力，其值为：184MPa<260MPa，满足强度规范要求。
4.3.第三阶段：浇筑拱顶段30.762m底板4.3.1.拱架位移最大竖向位移发生在拱顶，为8.5cm。
拱顶附近上弦杆有最大压应力，其值为：194MPa<260MPa，满足强度规范要求。
4.4.第四阶段：对称浇筑1/4跨段20.073m底板（底板合拢）4.4.1.拱架位移最大竖向位移发生在拱顶，为7.9cm。
拱脚附近上弦杆有最大压应力，其值为：179MPa<260MPa，满足强度规范要求。
4.5.第五阶段：对称浇筑拱脚段22.72m腹板4.5.1.拱架位移最大竖向位移发生在拱顶，为6.2cm。
拱脚段附近下弦杆有最大压应力，其值为：212MPa<260MPa，满足强度规范要求。
4.6.第六阶段：浇筑拱顶段31.137m腹板4.6.1.拱架位移最大竖向位移发生在拱顶，为9.4cm。
3/8跨段附近上弦杆有最大压应力，其值为：214MPa<260MPa，满足强度规范要求。
4.7.第七阶段：对称浇筑1/4跨段20.318m腹板（腹板合拢）4.7.1.拱架位移最大竖向位移发生在拱顶，为8.4cm。
拱顶附近上弦杆有最大压应力，其值为：203MPa<260MPa，满足强度规范要求。
4.8.第八阶段：对称浇筑拱脚段23m顶板4.8.1.拱架位移最大竖向位移发生在拱顶，为7.6cm。
拱脚段下弦杆有最大压应力，其值为：238MPa<260MPa，满足强度规范要求。
4.9.第九阶段：浇筑拱顶段31.513m顶板4.9.1.拱架位移最大竖向位移发生在拱顶，为10.2cm。
拱顶附近上弦杆有最大压应力，其值为：240MPa<260MPa，满足强度规范要求。
4.10.第十阶段：对称浇筑1/4跨段20.563m顶板（顶板合拢）4.10.1.拱架位移最大竖向位移发生在拱顶，为9.7cm。
4.10.2.拱架应力拱顶附近上弦杆有最大压应力，其值为：233MPa<260MPa，满足强度规范要求。