寬幅系桿拱橋中橫梁的設(shè)計(jì)研究

傅科奇,陳 剛,劉德寶

(浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,杭州 310006)

0 引 言

下承式系桿拱橋由于其結(jié)構(gòu)外部靜定,表現(xiàn)為無支座水平推力,對下部結(jié)構(gòu)要求簡單,且其跨越能力較大等優(yōu)越特性,在橋下凈空要求較高的平原地區(qū),或地基不良等地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用。

該橋型結(jié)構(gòu)主要有拱肋、系桿、吊桿組成拱架,通過橫梁和風(fēng)撐等橫向聯(lián)系把兩片 (或三片)拱架連成整體,再在橫梁上鋪設(shè)行車道板及橋面鋪裝后構(gòu)成橋面系結(jié)構(gòu)。橫梁直接承受橋面系恒載和車輛活載,并最終把所受荷載傳至拱架。因此正確分析橫梁的受力特點(diǎn)及截面內(nèi)力是至關(guān)重要的,如果在設(shè)計(jì)過程中未能合理有效地分析橫梁內(nèi)力,將會導(dǎo)致橫梁截面的開裂或材料的浪費(fèi)。

1 橫梁的受力機(jī)理

當(dāng)橋面系恒載或活載作用于橫梁上時(shí),橫梁將把這些荷載傳至系桿結(jié)點(diǎn)上,橫梁端結(jié)點(diǎn)處會產(chǎn)生彎矩M和豎向反力R。由于橫梁是彈性支承在系桿和吊桿結(jié)點(diǎn)上,因而對于系桿結(jié)點(diǎn)來說即為扭矩M和集中力R[1],如圖1、圖2。

圖1 系桿拱橋橫梁結(jié)構(gòu)圖

圖2 系桿拱橋橫梁受力示意圖

由于橫梁兩端彈性嵌固于系桿上,而系桿本身具有一定的抗扭剛度,故當(dāng)橫梁上作用荷載時(shí),系桿便產(chǎn)生一定的扭轉(zhuǎn)變形,從而使得橫梁端點(diǎn)處的M值要小于橫梁按兩端完全嵌固圖式求得的彎矩值;同時(shí)橫梁跨中正彎矩值小于橫梁按兩端簡支圖式求得的正彎矩值[2]。

然而,實(shí)際工程中中橫梁的分批安裝、中橫梁鋼束的分批張拉、橫橋向風(fēng)荷載等因素作用,會首先引起系桿的局部或整體扭轉(zhuǎn) (產(chǎn)生扭矩M),則相關(guān)橫梁端結(jié)點(diǎn)處會產(chǎn)生附加彎矩M[3-4],從而導(dǎo)致該中橫梁端結(jié)點(diǎn)處有可能產(chǎn)生正彎矩值 (相反于橫梁按兩端完全嵌固圖式求得的負(fù)彎矩),同時(shí)橫梁跨中正彎矩值也可能大于橫梁按兩端簡支圖式求得的正彎矩值。

此外,通過分析發(fā)現(xiàn),寬幅系桿拱橋靠近拱腳處中橫梁由于受拱腳端橫梁強(qiáng)大剛度的影響,預(yù)應(yīng)力效應(yīng)明顯降低,如果按跨中中橫梁統(tǒng)一設(shè)計(jì),將直接導(dǎo)致成橋狀態(tài)該處中橫梁拉應(yīng)力超標(biāo)甚至截面開裂,造成安全隱患。

2 工程實(shí)例

某系桿拱橋計(jì)算跨徑115.0 m,失高23.0 m,橋面寬25.0 m;拱肋啞鈴型截面,面積 A1=2.54 m2,慣性矩 I1=1.64 m4,抗扭慣性矩 IT1=0.53 m4;系桿C50混凝土,A2=2.5 m2,慣性矩I2=2.01 m4,抗扭慣性矩IT2=1.22 m4;中橫梁C50混凝土,A3=1.28 m2,慣性矩I3=0.52 m4,抗扭慣性矩IT3=0.1 m4,結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖3[5]。

圖3 某系桿拱橋計(jì)算模型

標(biāo)準(zhǔn)組合 (1.0恒載+1.0活載+1.0橫橋向風(fēng)載)作用下,各中橫梁端部和跨中截面彎矩統(tǒng)計(jì)如下表1、表2。

表1 中橫梁梁端彎矩對比表 單位：kN?m

由上表得,組合作用下各中橫梁梁端實(shí)際發(fā)生|MMIN|均小于按固端梁計(jì)算|MMIN|;組合作用下3#～11#中橫梁均發(fā)生正彎矩,最大發(fā)生在跨中11#梁MMAX=1 335 kN?m,不同于按兩端完全嵌固圖式只產(chǎn)生負(fù)彎矩的計(jì)算結(jié)果。

表2 中橫梁跨中彎矩對比表 單位：kN?m

由上表得,組合作用下5#～11#中橫梁跨中實(shí)際發(fā)生MMAX均大于按簡支梁計(jì)算MMAX。

橫橋向風(fēng)荷載作用下各中橫梁端部彎矩統(tǒng)計(jì)如下表3。

表3 橫橋向風(fēng)荷載引起中橫梁端部彎矩統(tǒng)計(jì)表 單位：kN?m

由上表得,橫橋向風(fēng)荷載對拱腳附近中橫梁影響較大,越靠近拱腳影響越大,1#中橫梁發(fā)生最大彎矩781kN?m。

預(yù)應(yīng)力效應(yīng)引起各中橫梁跨中截面下緣最大壓應(yīng)力統(tǒng)計(jì)如下表4。

表4 中橫梁跨中截面下緣最大壓應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表 單位：MPa

由上表得,1#、2#中橫梁跨中截面下緣最大壓應(yīng)力明顯低于其它中橫梁,分別低于各中橫梁平均值24%和11%,可見受端橫梁等因素影響,該處中橫梁預(yù)應(yīng)力效應(yīng)損失較大,容易導(dǎo)致其截面開裂和承載能力的不足。

3 結(jié) 語

(1)系桿拱橋中橫梁當(dāng)屬彈性嵌固梁,成橋狀態(tài)組合作用下大部分中橫梁梁端結(jié)點(diǎn)處可能發(fā)生正彎矩,相反于按兩端完全嵌固圖式計(jì)算只產(chǎn)生負(fù)彎矩的結(jié)果;同時(shí)跨中正彎矩值也會大于按兩端簡支圖式求得的正彎矩值。中橫梁設(shè)計(jì)如果簡單的以平面簡支和固結(jié)兩種計(jì)算結(jié)果作為控制不能滿足要求。

(2)橫橋向風(fēng)荷載作用會引起拱腳處系桿的扭轉(zhuǎn),進(jìn)而對拱腳附近中橫梁產(chǎn)生較大的附加彎矩,該處中橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須充分考慮橫橋向風(fēng)荷載的影響。

(3)拱腳端部1#、2#中橫梁受端橫梁強(qiáng)大剛度等因素的影響,預(yù)應(yīng)力效應(yīng)明顯降低,容易導(dǎo)致成橋后壓應(yīng)力儲備不足,引起截面開裂和承載能力的不足。

(4)寬幅系桿拱橋各中橫梁因其受端橫梁,安裝先后順序和預(yù)應(yīng)力分批張拉等因素影響,成橋后各中橫梁內(nèi)力狀態(tài)相差較大,靠近拱腳處中橫梁與其余中橫梁、先安裝中橫梁與后安裝中橫梁需要做到差別設(shè)計(jì)。

[1]虞建成,邵容光.系桿拱橋橫梁內(nèi)力分析[J].華東公路,1997,(4)：46-50.

[2]金成棣.預(yù)應(yīng)力梁拱組合式橋梁—設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐[M].北京：人民交通出版社,2001：96-97.

[3]孫潮,陳寶春,張偉中,等.鋼管混凝土系桿拱橋空間效應(yīng)分析[J].福建工程學(xué)院學(xué)報(bào),2004,2(1)：17-22.

[4]張?jiān)?李喬.鋼管混凝土系桿拱橋中系梁和橫梁的設(shè)計(jì)計(jì)算方法研究[J].公路交通科技,2005,22(3)：66-69.