鋼管混凝土拱橋預(yù)拱度的設(shè)置方法及影響因素

肖 銳 宮金明

0 引言

近年來,鋼管混凝土在拱橋方面已得到廣泛使用,現(xiàn)階段鋼管混凝土拱橋的設(shè)計仍然沿用以前圬工拱橋的規(guī)范方法,無法真實反映拱橋結(jié)構(gòu)中鋼管混凝土的特點,JTJ 021-89公路橋涵設(shè)計規(guī)范[1](以下簡稱規(guī)范)也沒有給出具體的計算方法,尤其是在設(shè)計拱的預(yù)拱度時,圬工拱橋的估算方法更不能替代鋼管混凝土拱橋的預(yù)拱度。

鋼管混凝土拱橋的拱肋是主要承重結(jié)構(gòu),由鋼管內(nèi)填混凝土做成,拱橋的恒載占全部荷載的比重較大,而且隨著跨徑的增大,恒載所占的比重還將增大。因此,以恒載壓力線作為設(shè)計拱軸線,可以認(rèn)為基本是適宜的。但是,即使僅在恒載作用下,拱肋本身的軸線還將因材料的彈性壓縮而變形,致使拱肋的實際壓力線與原來設(shè)計的拱軸線仍會發(fā)生偏離。因此,在拱橋設(shè)計時,應(yīng)考慮在確定設(shè)計拱軸線時還要設(shè)置施工預(yù)拱度。

預(yù)拱度設(shè)置的大小要根據(jù)拱橋在自重及其他荷載作用下的撓度來確定,通過設(shè)置預(yù)拱度的方法來抵消拱軸在荷載作用下的變形,使拱橋的拱軸線在使用階段盡量與壓力線接近,這樣拱肋才能處于好的受力狀態(tài),材料才能得到充分的利用。

1 拱軸線的幾種偏離形式

在拱橋的施工和運(yùn)營中,往往會發(fā)生拱軸線偏離設(shè)計拱軸線的情況,特別是對于已建成運(yùn)營一段時間的中小跨徑鋼筋混凝土拱橋,拱頂下沉是普遍存在的問題?？偨Y(jié)已有中小跨徑拱橋的調(diào)查資料,拱軸線偏離設(shè)計拱軸線的形式主要有以下幾種:

拱橋在施工荷載作用下,早期脫架的懸鏈線主拱圈撓度曲線呈“M”形變化,即在拱頂產(chǎn)生下?lián)?、兩?/8處上升,所以一般在施工中設(shè)置預(yù)拱度。但是在施工中沒有考慮預(yù)拱度或是預(yù)拱度設(shè)置不足的中小跨徑拱橋,一般會存在如圖1所示的拱軸線變形情況。

對小跨度拱橋,如果矢跨比較小,在跨中荷載作用下(往往是不利荷載布置),跨中局部下?lián)?其他部位均勻向下變形,如圖1a)所示。如果矢跨比較大或大跨徑拱橋在均布荷載或跨中荷載作用下,跨中局部下?lián)?大約在1/4拱跨(或 3/4拱跨)與1/8拱跨(或7/8拱跨)之間局部向上鼓肚,如圖1b)所示。

建成后的拱橋,在恒載作用以及材料的彈性收縮變形下,拱軸線上各點會產(chǎn)生均勻下沉現(xiàn)象。其變形后的拱軸變線形如圖2所示,拱橋的這種變形基本上接近二次拋物線分布。

在已建成的現(xiàn)有拱橋中,多數(shù)拱橋存在拱腳水平位移。對于超靜定無鉸拱橋,拱腳位移會在拱內(nèi)產(chǎn)生很大的附加內(nèi)力。在拱腳水平位移的情況下,拱軸線也會發(fā)生改變,將會偏離原設(shè)計拱軸線。偏離后的拱軸線如圖3所示。

2 預(yù)拱度設(shè)置的影響因素

在鋼管混凝土拱橋的施工過程中及成橋后,拱肋由于很多因素的影響,將產(chǎn)生彈性變形和非彈性變形,諸如拱架產(chǎn)生的下沉,拱肋達(dá)到強(qiáng)度要求而卸落拱架后,拱肋由于承受自重、溫度變化及墩臺位移等因素影響,也要發(fā)生下沉,這些因素將導(dǎo)致拱軸線發(fā)生變位,使最終的拱橋拱軸線無法符合設(shè)計要求。拱軸線的變化是預(yù)拱度大小的設(shè)置依據(jù),下面為影響拱軸線變化的主要因素[2-4]:1)由結(jié)構(gòu)重力引起梁或拱肋的彈性撓度,以及1/2的汽車荷載(不計沖擊力)引起梁或拱圈的彈性下沉;2)超靜定結(jié)構(gòu)由混凝土硬化收縮、徐變及溫度變化而引起的下沉;3)承受推力的墩臺,由于墩臺的水平位移所引起的拱圈下沉;4)砂筒的非彈性引起的拱頂下沉;5)支架基礎(chǔ)在受載荷后的非彈性下沉;6)拱式排架在受載荷后彈性和非彈性下沉。

由于影響預(yù)拱度設(shè)置的因素很多,計算不可能很精確,施工時應(yīng)根據(jù)計算值,結(jié)合施工實際進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。上面所述因素中,第2),3)條對拱橋(或超靜定結(jié)構(gòu))影響較大,第1)條在具體應(yīng)用時要根據(jù)施工方法而定。

3 預(yù)拱度設(shè)置的幾種方法

施工控制中的預(yù)拱度有兩種定義:1)從建橋開始到竣工時,梁體產(chǎn)生撓度總和的反號值;2)從施工結(jié)束到收縮徐變終極,由收縮徐變產(chǎn)生撓度的反號值,該值由設(shè)計單位確定。確定了拱頂截面的預(yù)拱度值以后,其他截面的預(yù)拱度往往都按一定規(guī)律加以分配。在實際設(shè)計工作中,通常采用以下幾種分配方式[3]:

方法1:按三角形分配設(shè)置,見圖4。即拱頂截面的預(yù)留拱度為δ,拱腳軸線處為0,則中間各點鉛垂向的預(yù)拱度為:

方法2:按拱肋軸線縱坐標(biāo)比例設(shè)置,見圖5。則各點預(yù)拱度為:

方法3:按二次拋物線設(shè)置,見圖6。各點的預(yù)拱度為:

方法4:按拱腳推力影響線比例設(shè)置,見圖7。各點的預(yù)拱度為:

方法5:按余弦平方曲線設(shè)置,預(yù)拱度曲線形式見圖8。各點的預(yù)拱度為:

4 結(jié)語

本文闡述了鋼管混凝土拱橋拱軸線在施工過程中、恒荷載及拱腳水平位移作用下的變化情況,并探討了影響拱軸線變化的幾種主要因素及預(yù)拱度設(shè)置的方法,可為該類拱橋的設(shè)計及施工提供參考。

[1]JTJ 021-89,公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

[2]梁 鵬.鋼管混凝土拱橋拱肋預(yù)拱度的研究[D].武漢:武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2004.

[3]JTJ 022-85,公路磚石及混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].

[4]CECS 28∶90,鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程[S].