平鋼腹板鋼筋混凝土新型拱橋試設(shè)計

宋 帥，邵俊虎

(1.成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂山 614000;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

平鋼腹板鋼筋混凝土新型拱橋試設(shè)計

宋 帥1，邵俊虎2

(1.成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂山 614000;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

將組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用到拱橋中，用平鋼腹板來代替混凝土腹板可以達到減輕橋梁自重的目的。以重慶武隆石橋水庫大橋為原型，進行平鋼腹板混凝土新型拱橋的試設(shè)計，并與混凝土腹板拱橋、波形鋼腹板混凝土拱橋在受力及用料方面進行了對比。結(jié)果表明:采用鋼腹板設(shè)計的混凝土拱橋減輕了自重，減小了拱橋推力和拱肋軸力，縮短了全橋工程量。

波形鋼腹板;平鋼腹板;拱橋;剪力鍵;纜索施工法

鋼腹板梁橋在橋梁中的應(yīng)用于1985年出現(xiàn)在法國，最初提出用平鋼腹板代替混凝土腹板，但在隨后的研究中發(fā)現(xiàn)，使用平腹板會約束混凝土的變形，使得預(yù)應(yīng)力效果大幅度降低。為此，Pierre Thivans提出使用波形鋼腹板代替原來的平腹板，使這個問題得到了很好的解決。近年來，我國也開始了這種橋型的研究，并在國內(nèi)修建了此種類型的橋梁，其中有重慶大堰河橋和河南潑河大橋等。

但是波形鋼腹板橋梁相關(guān)研究及工程實際主要應(yīng)用在梁橋上，對于在拱橋中的應(yīng)用還缺乏相應(yīng)研究?？紤]到拱橋拱箱屬于承壓構(gòu)件，和梁橋的受力形式有所不同，筆者采用平鋼腹板代替混凝土腹板進行了150 m跨徑的拱橋試設(shè)計，并將混凝土腹板拱橋、波形鋼腹板拱橋、平鋼腹板拱橋3種橋型做了對比分析，希望能推動組合拱橋的發(fā)展。

1 拱橋發(fā)展現(xiàn)狀

拱橋是人類最早也是最廣泛使用的橋型之一，而且這種橋型造型美觀，變化多，適應(yīng)性強。據(jù)統(tǒng)計，我國的公路橋梁中60%為拱橋。在施工方面，由于施工技術(shù)的發(fā)展，如轉(zhuǎn)體施工法和勁性骨架拱的應(yīng)用，使得拱橋的施工更加便捷、安全。在形式方面，有上承式、中承式、下承式拱橋。拱橋主拱圈的截面形式也各異，如有鋼管混凝土、鋼箱、鋼桁架、鋼箱混凝土等截面。由于拱橋的自重大，水平推力也大，對橋墩的要求更高，為了使拱橋向更大跨徑發(fā)展，除了采用一些合理的橋梁形式外，通過選擇合理的拱圈截面形式來減小自重也是一種有效的方法。

近年來，國內(nèi)開展了拱橋組合主拱圈截面方面的研究。陳寶春，等［1］提出了在拱橋中采用波形鋼腹板代替原先的混凝土腹板，以萬縣長江大橋為參考進行了這種新橋型的試設(shè)計，并與萬縣長江大橋做了對比。黃卿維，等［2］采用這種橋型對160 m的拱橋進行了試設(shè)計，并做了對比分析。高婧，等［3］進行了波形鋼腹板鋼管混凝土模型拱的面內(nèi)兩點非對稱和對稱加載試驗，對模型拱的撓度、鋼管應(yīng)變、波形鋼腹板應(yīng)變、極限承載力等進行了分析，試驗結(jié)果表明:波形鋼腹板鋼管混凝土拱是種受力性能很好的新型組合拱。韋建剛，等［4］對鋼腹桿-混凝土新型組合箱拱橋進行了相關(guān)研究。周志祥，等［5］對鋼-混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)八字形剛構(gòu)拱橋的整體性能、施工技術(shù)、經(jīng)濟性等方面做了研究，并與普通拱橋做了比較。

2 平鋼腹板鋼筋混凝土拱橋設(shè)計方案

根據(jù)拱橋的受力特點，對腹板做了適當(dāng)?shù)母倪M，使用平鋼腹板來代替原有的混凝土腹板，以達到減輕橋梁自重的目的。以主跨為150 m的重慶武隆石橋水庫大橋為參考，采用平鋼腹板進行了試設(shè)計。為了有效比較不同橋型的優(yōu)缺點，只改變主拱圈腹板的材料和尺寸，其他結(jié)構(gòu)尺寸及材料不變。

2.1 總體布置

原橋采用上承式鋼筋混凝土拱橋，計算跨徑為150 m，矢高為25 m，矢跨比為1/6，拱軸系數(shù)采用1.167，總體布置見圖1。主拱圈采用鋼筋混凝土箱拱截面，拱腳至第1根立柱頂?shù)装寰鶠?2 cm，其余頂?shù)装寰鶠?5 cm，一般截面尺寸見圖2。拱上立柱為15根，最外邊拱上立柱距拱腳距離為5 m，其余拱上立柱間距為10 m。上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)制空心板，跨徑為10 m。

圖1 拱橋總體布置(單位:cm)Fig.1 General arrangement diagram of arch bridge

圖2 主拱圈截面(單位:cm)Fig.2 Arch cross－section

2.2 主拱圈的設(shè)計

設(shè)計方案拱橋采用單室五箱截面，拱腳至第1根立柱頂?shù)装寰鶠?2 cm，其余頂?shù)装寰鶠?5 cm，腹板采用平鋼腹板，鋼板厚度為10 mm，拱箱寬度為754 cm，拱軸線仍采用原橋拱軸線，鋼板采用Q345D鋼。其截面構(gòu)造見圖3。為了增強拱圈的整體性和穩(wěn)定性，沿跨徑方向每10 m設(shè)置一道混凝土橫隔梁，一共設(shè)置14道橫隔梁。橫隔梁與焊接在鋼板上的栓釘現(xiàn)澆，使之形成一個整體。

拱圈設(shè)計中，在剪力和軸力以及彎矩的作用下，鋼板與上下板之間會產(chǎn)生滑移。如何保證頂板與腹板和鋼板可靠的連接在一起，從而共同承擔(dān)荷載，成為了設(shè)計的關(guān)鍵。文中設(shè)計采用了栓釘和PBL剪力鍵相結(jié)合的方式，其具體構(gòu)造見圖4。

在文獻［1］中提出了波形鋼腹板拱橋的概念，為了將其與文中的橋型做比較，將平鋼板換成波形鋼腹板也做了初步設(shè)計，波形鋼腹板的尺寸見圖5。在試設(shè)計中，只改變了拱圈的結(jié)構(gòu)形式，其他結(jié)構(gòu)的尺寸及材料均未改變，只對拱圈的工程量做出了對比，具體情況見表1。由表中可以看出，采用鋼腹板比采用混凝土腹板混凝土用量少了43%，鋼材的用量增加了44%，但是整個拱圈的重量減輕了38%，通過比較平鋼腹板和波形鋼腹板，兩者之間的材料用量基本相同，波形鋼腹板用量較平鋼腹板略多，原因是波形鋼腹板折疊結(jié)構(gòu)增加了材料用量。

表1 拱圈工程量Tab.1 Bill of arch quantities

2.3 結(jié)構(gòu)強度計算

運用大型有限元程序MADIS進行了結(jié)構(gòu)的計算，通過建立三維桿系結(jié)構(gòu)，計算了拱橋在各種荷載作用下的內(nèi)力。在試設(shè)計中，假定鋼腹板與上下板的連接可靠，按照JTG D 60—2004《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》［6］、JTG D 62—2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》［7］、JTG D 61—2005《公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范》［8］規(guī)范為依據(jù)，以混凝土的壓碎破壞為結(jié)構(gòu)失效的標志。

以平鋼腹板拱橋計算內(nèi)力時，假設(shè)鋼板參與結(jié)構(gòu)的受力，需承擔(dān)結(jié)構(gòu)的軸力、剪力和彎矩，按照組合結(jié)構(gòu)的剛度及面積等效原則，采用以下公式來進行等效:

式中:Ec、Es分別為混凝土和鋼材的彈性模量;Ac、As分別為混凝土截面和鋼材截面的面積;Ic、Is分別為混凝土截面和鋼材截面的慣性矩;A和I為換算后的面積和慣性矩。

在計算波形鋼腹板拱橋時，由于波形鋼板具慣性矩有折迭效應(yīng)，不承擔(dān)軸向力作用。因此，近似認為波形鋼板不承受軸力與彎矩，截面的軸向與彎曲剛度僅計入上下混凝土板的剛度，不考慮波形鋼腹板的貢獻［9］。

拱橋在自重作用下的拱圈內(nèi)力計算結(jié)果見表2。由表中可以看出，自重作用下，平鋼腹板拱橋的軸力略小于波形鋼腹板拱橋，兩種鋼腹板拱橋軸力比混凝土拱橋的軸力減小23%，彎矩在拱腳處變化不大，有的部位變化較大，但大部分截面彎矩呈減小的趨勢，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因為3種形式的拱橋采用的是一個拱軸系數(shù)，不同的剛度及自重對結(jié)構(gòu)彎矩產(chǎn)生了一定的影響。

表2 自重作用下拱圈內(nèi)力Tab.2 Internal forces under the arch weight

由于原橋設(shè)計已經(jīng)經(jīng)過工程實踐所驗證，其驗算結(jié)果不再列出，驗算過程中采用了3種組合，具體組合形式見表3。對于波形鋼腹板和平鋼腹板拱橋的驗算見表4和表5。

表3 荷載組合Tab.3 Load combination

由表4和表5可以看出，采用2種鋼腹板的抗壓極限承載力、抗剪承載力以及偏心距均滿足設(shè)計規(guī)范的要求，但采用平鋼腹板的抗力與內(nèi)力比要大于波形鋼腹板拱橋抗力與內(nèi)力比，不同截面相差7%～13%不等，說明在相同情況下，平鋼腹板有較大的強度儲備。原因是平鋼腹板分擔(dān)了一部分軸力，而波形鋼腹板不參與結(jié)構(gòu)的軸向受力。

表4 平鋼腹板拱圈驗算結(jié)果Tab.4 Calculation results of flat steel web arch

(續(xù)表4)

表5 波形鋼腹板拱圈驗算結(jié)果Tab.5 Calculation results of corrugated steel webs arch

2.4 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

拱橋是一種以拱肋受壓為主的結(jié)構(gòu)，能夠最大限度的發(fā)揮混凝土抗壓性能，如果以鋼腹板代替混凝土腹板，可以很大程度減輕拱橋的自重，但是同時也減小了其截面剛度，這樣就影響整體的穩(wěn)定性。另外，由于其腹板使用了鋼腹板，而鋼腹板必須承受面內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)板厚較小，而板高較大時，由于這個面內(nèi)應(yīng)力的作用，鋼腹板會發(fā)生局部屈曲。因此本節(jié)對鋼腹板拱橋的整體和局部穩(wěn)定性做了驗算。

通過對結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性進行計算，得出了結(jié)構(gòu)在自重+二期荷載+滿布車輛荷載工況下的穩(wěn)定安全系數(shù)為12.1，在自重+二期荷載+半跨布載車輛荷載工況下穩(wěn)定性安全系數(shù)為 12.7，滿足TB10002.1—2005《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》［10］中要求的穩(wěn)定性安全系數(shù)為4～5的規(guī)定。

GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［11］和 TB 10002.2—2005《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》［12］中對局部穩(wěn)定性的計算規(guī)定多是針對鋼結(jié)構(gòu)受壓或受彎構(gòu)件的腹板和翼緣，而對這種組合受壓構(gòu)件的局部穩(wěn)定性的計算規(guī)定較少。GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中僅規(guī)定箱型截面的腹板高厚比必須滿足一定的限值。而這個規(guī)定主要是根據(jù)四邊簡支板來推導(dǎo)的，而本文中的鋼腹板在上下混凝土頂板的約束下可以看作是兩邊簡支，兩邊夾支的情況。使用 GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》5.4.3 對鋼腹板穩(wěn)定性驗算是偏安全的。故本文偏安全的采用GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》來計算腹板的局部穩(wěn)定性。在GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定，壓彎構(gòu)件的的腹板的高厚比之間需滿足如下關(guān)系:

式中:αmax為腹板計算高度內(nèi)的最大壓應(yīng)力;αmin為腹板另一邊緣的應(yīng)力;λ為構(gòu)件在彎矩作用平面內(nèi)的長細比。

對于文中的拱橋，其計算長度可取S0=μS=1.03 ×81.035=83.46 m，則拱肋的長細比為:λ =l0=83.46 ×0.951 8=79.44。通過剛度分配的原則，可以計算出最不利截面的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力分別為92.2 MPa和72.1 MPa時，α0取得最小值為0.21，且全部截面0≤α0≤1.6。將計算數(shù)據(jù)帶入上述公式可得:

可以得出腹板的局部穩(wěn)定不滿足設(shè)計要求。文獻［13］中指出，為了提高板的屈曲強度，通常采用在腹板上加橫肋和縱肋或者加大板厚的方法，而加勁肋的抗彎剛度和截面面積都會影響加勁肋提高屈曲強度的效果?？紤]到跨徑太大，加厚鋼板會增加較大的工程量，故采用加勁肋的方式來改善其穩(wěn)定性。考慮到GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中的公式是以四邊簡支為邊界條件，則計算出的臨界應(yīng)力與(h0/tw)2成正比，在腹板厚度變的情況下，加縱向加勁肋相當(dāng)于改變了計算寬度h0，增強了穩(wěn)定性。故本設(shè)計在腹板處加3道縱向加勁肋，且加勁肋剛度足夠大，能有效限制板的屈曲，取加勁肋寬度為120 mm，厚度為10 mm。為了滿足構(gòu)造要求，在腹板橫向加9道橫向加勁肋，則此時腹板計算高度變?yōu)?.437 5，h0/tw=0.437 5/0.01=43.75 ≤68.08，滿足局部穩(wěn)定性的要求。

對于本文中提出的平鋼腹板的局部穩(wěn)定性分析只依照GB50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》對其進行了簡單的驗算，但是對于組合結(jié)構(gòu)的局部穩(wěn)定性規(guī)范中還沒有做出明確的規(guī)定，對于這種鋼腹板拱橋的局部穩(wěn)定性的計算方法以及加勁肋的設(shè)置方法還需做進一步的研究。

3 施工方案

施工方案設(shè)計采用纜索吊裝法施工，將整個拱圈分成15個節(jié)段，每個節(jié)段自重為136 t，采用懸臂拼裝法施工，先在工廠預(yù)制一個節(jié)段、半幅寬度的拱圈，這樣需要吊裝的節(jié)段自重變?yōu)?8 t，每吊裝完一個節(jié)段采用臨時拉索固定拱圈，增強其強度，當(dāng)兩幅截面全部吊裝完成后開始現(xiàn)澆混凝土，使兩幅拱箱變?yōu)橐粋€整體，澆筑完成后現(xiàn)澆橫隔板。待拱圈合攏后，再進行拱上立柱以及上部結(jié)構(gòu)的施工，見圖6。

圖6 施工方案Fig.6 Construction plan map

文中的施工方案采用先預(yù)制后裝配的方法，在吊裝重量滿足要求的情況下，減小了混凝土收縮帶來的影響，而且很大程度上縮短了施工工期。由于自重較原橋拱圈減小38%，故采用懸臂拼裝法可以預(yù)制盡可能大的節(jié)段，從而最大限度縮短了工期。

4 結(jié)論

筆者以150 m的重慶武隆石橋水庫大橋為原型，采用平鋼腹板混凝土拱橋進行了試設(shè)計，并與波形鋼腹板混凝土拱橋及普通混凝土拱橋進行了對比分析。為了在相同條件下與其余2種拱橋進行比較，故沒有分別對拱橋的截面形式、拱軸系數(shù)進行調(diào)整。結(jié)果表明:采用鋼腹板混凝土拱橋其自重較普通混凝土拱橋減小38%，很大程度上減輕了拱橋的推力，減少了下部結(jié)構(gòu)的工程量，在自重作用下比混凝土拱橋的軸力減小23%，由于自重的減輕，施工過程也更加方便、快捷、合理。由于平鋼腹板混凝土拱橋承擔(dān)了部分軸力，使得同樣結(jié)構(gòu)尺寸下，平鋼腹板混凝土拱橋的安全系數(shù)略大，從拱橋的承載能力方面來看，筆者認為平鋼腹板略優(yōu)于波形鋼腹板混凝土拱橋。

采用平鋼腹板代替混凝土腹板是一種新橋型，筆者也只是初步的分析。新型橋梁，其最大特點是在采用組合截面，使橋梁在自重上面有較大的減輕，而自重的減輕是以犧牲結(jié)構(gòu)的剛度為代價，由于自重的減輕對結(jié)構(gòu)的動力特性會有一定的影響，腹板厚度的減小，拱橋的整體剛度也會有所減小，特別是腹板的局部穩(wěn)定性方面的計算方法以及增強其局部穩(wěn)定性的具體措施仍需做進一步的研究。另外為了增大腹板的局部屈曲強度采用加勁肋，其疲勞問題也有待解決。而組合截面存在的另一個問題就是鋼板和混凝土的結(jié)合問題，結(jié)合處構(gòu)造復(fù)雜，如何采用一種可靠的連接方式來使鋼腹板和混凝土更好的共同受力也是需要繼續(xù)研究的問題。

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［13］［日］小西一郎.鋼橋［M］.朱立冬，譯.北京:人民鐵道出版社，1981.

The Trial Design of Flat Steel Webs Arch Bridge

SONG Shuai1，SHAO Jun-hu2
(1.College of Engineering and Technology，Chengdu Technology University，Leshan 614000，Sichuan，China;
2.College of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，Sichuan，China)

Composite structure was applied to the arch bridge.Taking Chongqing Wulong shiqiao Reservoir Bridge as the prototype，it carried out flat steel webs concrete arch bridge trial design，and contrasted the flat steel webs concrete arch bridge with the corrugated steel webs concrete arch bridge in the respects of force and materials.The results show that steel webs arch bridge reduces its own weight，the push force，the axial force of steel webs and the quantity of the whole bridge.

corrugated steel webs arch bridge;flat steel webs arch bridge;arch bridge;shear key;cable construction method

U448.23

A

1674-0696(2011)03-0372-05

2010-11-22;

2011-04-21

宋 帥(1984-)，女，四川廣安人，助教，碩士，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)方面的研究。E-mail:s19860802@163.com。