鋼管混凝土簡支系桿拱在部分規(guī)范中的比較

許 慧 峰

(同濟大學(xué)，上海 200092)

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鋼管混凝土簡支系桿拱在部分規(guī)范中的比較

許 慧 峰

(同濟大學(xué)，上海 200092)

結(jié)合鋼管混凝土簡支系桿拱橋的設(shè)計實例，比較了2013版《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》與部分地方標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在材料強度選取、極限承載力和穩(wěn)定承載力計算、撓度和應(yīng)力驗算以及構(gòu)造要求等方面的異同點，總結(jié)了新規(guī)范的特點。

鋼管混凝土簡支系桿拱橋，比較，沖擊力，持久狀況計算

1 概述

鋼管混凝土簡支系桿拱橋因其外形優(yōu)美且兼有拱橋的較大跨越能力和簡支梁對地基適應(yīng)能力強的特點，從而得到了廣泛的應(yīng)用。然而很長一段時間內(nèi)，都缺乏一本全國性的橋梁設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)可用于指導(dǎo)設(shè)計工作。2013版《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》(下稱“新規(guī)”)的推出，填補了這樣的一個空白，對橋梁設(shè)計質(zhì)量的提高也有重要作用。

本文結(jié)合工程實例對鋼管混凝土簡支系桿拱橋設(shè)計在“新規(guī)”及部分地方標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的異同作一個比較。

2 工程實例比較

2.1 工程實例介紹

某工程正交橋主橋采用鋼管混凝土簡支系桿拱，單跨72m。主橋上部結(jié)構(gòu)由鋼管混凝土拱肋、預(yù)應(yīng)力混凝土系梁與橫梁、柔性吊桿及整體化橋面系組成。系桿拱拱高14.0m，矢跨比f/L=1/5，拱軸線為二次拋物線，下承式雙片拱肋，拱肋截面形式為啞鈴形，鋼管拱肋間設(shè)置5道風(fēng)撐。

2.2 材料強度

2.2.1 鋼管材料強度

從表1中可看出，對于鋼管，“新規(guī)”的取值是較為保守的，這也符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)“橋梁的可靠指標(biāo)應(yīng)大于一般建筑結(jié)構(gòu)”的要求。

表1 部分規(guī)范鋼管材料強度指標(biāo)

2.2.2 混凝土材料強度

混凝土材料的取值，部分規(guī)范的差別不大(見表2)。

表2 部分規(guī)范混凝土材料強度指標(biāo) MPa

“新規(guī)”的數(shù)值源于《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，而未采用現(xiàn)行《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(下稱“公預(yù)規(guī)”)，二者的差別即在于材料安全系數(shù)取值不同。

2.3 作用與組合

“新規(guī)”采用了基于概率理論的極限狀態(tài)設(shè)計方法，這是目前比較主流的設(shè)計理念。但對于鋼管混凝土構(gòu)件承載能力理論，我國主要有兩種理論：“統(tǒng)一理論”和“極限平衡理論”。“新規(guī)”應(yīng)屬“極限平衡理論”，即假定鋼材進入塑性后為無限塑性，計算出構(gòu)件極限承載能力，其承載力為鋼管和混凝土的疊加，并考慮鋼管套箍作用。重慶的地方標(biāo)準(zhǔn)《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計規(guī)范》(下稱“重慶地標(biāo)”)則采用了“統(tǒng)一理論”，即將鋼管和混凝土視為復(fù)合材料，按整體的特性計算承載力。

針對于城市或公路橋梁，相應(yīng)規(guī)范中的作用及組合均符合《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》或《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》的要求。但“新規(guī)”中對于鋼管混凝土拱肋的汽車沖擊系數(shù)單獨作出要求，以便區(qū)分與拱橋橋面系的差別。

通過有限元方法計算得出結(jié)構(gòu)基頻，進而求得沖擊系數(shù)如表3所示。可見，新規(guī)計算的拱肋的沖擊力較其他規(guī)范有較大提高，對拱肋的強度要求是較高的。

表3 部分規(guī)范汽車沖擊系數(shù)

2.4 承載能力及安全儲備

經(jīng)計算，將“新規(guī)”及部分規(guī)范承載能力和安全儲備分別匯總于圖1，圖2中。

由于采用了相同的荷載效應(yīng)以便比較，故“新規(guī)”安全儲備數(shù)值與部分規(guī)范較為接近，若考慮沖擊系數(shù)的影響，則“新規(guī)”的安全儲備將更低，即其要求也更嚴(yán)苛。

2.5 穩(wěn)定計算

“新規(guī)”與“重慶地標(biāo)”均提出了鋼管混凝土拱橋進行空間穩(wěn)定性的計算要求，彈性穩(wěn)定特征值均要求控制在4以內(nèi)，同時也要求對面內(nèi)整體穩(wěn)定承載力進行計算，以下匯總了部分規(guī)范穩(wěn)定承載能力的安全儲備。

現(xiàn)行《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)范中并未明確提出穩(wěn)定承載力，但其折減系數(shù)已暗含了穩(wěn)定系數(shù)，故將其納入圖3中。

可見，“新規(guī)”的安全儲備數(shù)值基本位于低值，說明其對于結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的要求也較高。

另外幾本規(guī)范對于拱肋等效計算長度略有不同，主要反映在計算長度系數(shù)的細微區(qū)別(見表4)。

表4 部分規(guī)范計算長度與拱軸線長度比值

2.6 持久狀況計算

構(gòu)件的應(yīng)力以及撓度是鋼管混凝土拱橋在正常使用極限狀態(tài)下的兩個重要驗算的內(nèi)容。

“新規(guī)”參照現(xiàn)行《公路圬工橋涵設(shè)計規(guī)范》，延續(xù)了原《公路磚石及混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》的理念，要求消除自重影響后，短期效應(yīng)組合的正負撓度絕對值之和控制在計算跨徑的1/1 000以內(nèi)，同時貫徹了現(xiàn)行“公預(yù)規(guī)”的思路，要求計入長期效應(yīng)組合的影響，更真實反映了構(gòu)件隨時間增長的工作狀態(tài)。對于沖擊力的態(tài)度也是“可”，給予設(shè)計者根據(jù)實際情況進行把控的權(quán)利?！靶乱?guī)”還在條文說明中引入了“舒適度”的概念，為規(guī)范的持續(xù)發(fā)展埋下了伏筆?！爸貞c地標(biāo)”則參照了原“公預(yù)規(guī)”的寫法，要求將撓度控制在計算跨徑的1/800，且明確不計沖擊力，但并未明確是否引入長期增長系數(shù)。而在計算預(yù)拱度時則參照了現(xiàn)行“公預(yù)規(guī)”，可見其在規(guī)范的延續(xù)上尚不完全統(tǒng)一。

兩本規(guī)范對于持久狀況下拱肋鋼管應(yīng)力控制是一致的，均為0.8fy，但前提條件不盡相同。構(gòu)件應(yīng)力計算的實質(zhì)是承載力計算，故現(xiàn)行“公預(yù)規(guī)”將其與正常使用極限狀態(tài)計算分為兩章論述?！靶乱?guī)”則將其合并，對于沖擊力的態(tài)度均是“可”。重慶的地方標(biāo)準(zhǔn)也將兩者合二為一，但單獨予以小節(jié)進行了規(guī)定，并要求“應(yīng)”考慮沖擊系數(shù)。

2.7 施工階段應(yīng)力計算

“新規(guī)”中提出應(yīng)對主要施工階段進行計算，包括構(gòu)件的應(yīng)力、變形及穩(wěn)定計算，且對拱肋架設(shè)中彈性穩(wěn)定特征值要求控制在4以上，但是對其應(yīng)力及變形則不再有明確的計算數(shù)值控制?！爸貞c地標(biāo)”也提出了按各施工階段得到應(yīng)力、變形及穩(wěn)定等結(jié)果，給出了管內(nèi)混凝土及鋼管的應(yīng)力控制值，但對穩(wěn)定的控制值卻未提及?，F(xiàn)行《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》也僅有空鋼管管壁豎向應(yīng)力小于0.4fy的數(shù)值要求。

2.8 其他

“新規(guī)”中提出了很多的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造要求，涉及到矢跨比、徑厚比、約束效應(yīng)系數(shù)以及截面含鋼率等多方面的建議或控制值，其他規(guī)范也或多或少提出了一些構(gòu)造尺寸要求，為橋梁設(shè)計提供了極大的便利?！靶乱?guī)”與“重慶地標(biāo)”還提出了吊索與系桿索須具有可檢查及更換的構(gòu)造與措施，為使易損構(gòu)件不影響全橋壽命提供了保障。此外，“新規(guī)”還要求加強中下承式拱橋結(jié)構(gòu)整體強健性，避免惡性事故發(fā)生，這是其他規(guī)范未提及的。

3 結(jié)語

“新規(guī)”材料強度取值方面與其他規(guī)范略有不同，尤其對于鋼管的要求較高。

“新規(guī)”采用“極限平衡理論”，對拱肋的沖擊力較其他規(guī)范有較大提高，從而提高了對于拱肋的強度要求。

對于拱肋的承載力，“新規(guī)”的計算值處于低值，偏于安全，對于結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的要求也較高。

持久狀況計算中，“新規(guī)”對于撓度的計算沿用現(xiàn)行橋梁主要規(guī)范的理念，較其他規(guī)范貫徹的較好，但在鋼管應(yīng)力控制上，對于沖擊力的記取與否有些模糊。

“新規(guī)”對施工階段計算有框架性要求，但具體數(shù)值控制不明確。

“新規(guī)”對結(jié)構(gòu)與構(gòu)造要求較為具體和細致，利于橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計。

[1]GB50923—2013，鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范.

[2]JTGD60—2004，公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范.

[3]JTGD62—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.

[4]CQJTG/TD66—2011，公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計規(guī)范.

[5]CECS28∶2012，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程.

[6]JCJ01—89，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程.

Comparisonofdesignonbowstringarchbridgeofconcrete-filledsteeltubewithseveralcodes

XuHuifeng

(Tongji University， Shanghai 200092， China)

Withadesignexampleofabowstringarchbridgeofconcrete-filledsteeltube,theyarecomparedthatthedifferencesbetweenTechnical Code for Concrete-Filled Tube Arch Bridges, 2013andseveralstandardsorspecificationsintheselectionofmaterialsstrength,thecaculationofultimatestrengthandstabilitybearingcapacity,thecheckingofdeflectionandstress,detailingrequirements,etc..Thefeaturesofthenewcodearealsoconcluded.

abowstringarchbridgeofconcrete-filledsteeltube,comparison，impactforce，calculationinpersistentsituation

1009-6825(2015)01-0176-02

2014-10-22

許慧峰(1980- )，男，工程師

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