某單跨下承式鋼管混凝土系桿拱橋設(shè)計(jì)分析

陸文超 張俊海

摘 要：?jiǎn)慰缦鲁惺戒摴芑炷料禇U拱橋由于其較新穎的結(jié)構(gòu)形式、較經(jīng)濟(jì)的造價(jià)而成為現(xiàn)代城市橋梁建設(shè)最受青睞的結(jié)構(gòu)形式之一。文章結(jié)合實(shí)際工程地質(zhì)，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，考慮按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)組合并選取最不利效應(yīng)，通過(guò)詳盡的結(jié)構(gòu)計(jì)算，驗(yàn)算得出結(jié)構(gòu)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)整體和局部構(gòu)件安全可靠，該橋的成功實(shí)施可為同類橋梁設(shè)計(jì)計(jì)算和施工提供范例。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土；系桿拱橋；承載能力極限狀態(tài)；正常使用極限狀態(tài)；橋梁設(shè)計(jì)

1 工程概況

依托工程位于浙江某市，橫跨排塘港，女兒橋老橋?yàn)榘辶航Y(jié)構(gòu)，橋?qū)?.5m，橋梁配跨為（13+15+13）m，始建于1995年。根據(jù)河道改建后的情況，老橋不能滿足今后使用要求，且現(xiàn)橋位處為規(guī)劃Ⅵ級(jí)航道，橋梁通航孔凈高不小于4.5m，最高通航水位2.16m。由于老橋阻水嚴(yán)重、跨徑小，按河道改建及航道通航要求，需重建新橋。

女兒橋跨徑組成為（20+57.6+20）m，橋?qū)挘?.5m（護(hù)欄）+7.5m（行車道）+0.5m（護(hù)欄）=8.5m，引橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支空心板，主橋?yàn)?，主橋?yàn)閱慰缦鲁惺戒摴芑炷料禇U拱橋，主拱拱肋計(jì)算跨徑56m，矢高11.2m，矢跨比1/5，拱軸線呈二次拋物線變化，主橋下部構(gòu)造為主墩采用實(shí)體墩，柱式臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。新建依托工程屬于現(xiàn)代城市橋梁，對(duì)景觀要求較高，對(duì)其總體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮水文、地質(zhì)等因素，在滿足車與人通行的基本要求下，力求達(dá)到景觀和諧共生、結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)安全、施工方便快捷的目標(biāo)。

2 主要技術(shù)指標(biāo)

道路等級(jí)：公路-Ⅱ級(jí)。橋梁全寬：0.5m（護(hù)欄）+7.5m（行車道）+0.5m（護(hù)欄）=8.5m。橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100年。設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)。

耐久性設(shè)計(jì)環(huán)境類別：Ⅰ類。設(shè)計(jì)洪水頻率：1/100洪水頻率。航道等級(jí)：Ⅵ級(jí)?？拐鸬燃?jí)：橋位處地震動(dòng)峰值加速度為：0.05g，相當(dāng)于基本烈度Ⅵ度，按Ⅶ度地震烈度設(shè)防。

3 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 拱肋設(shè)計(jì)

主拱拱肋采用單圓鋼管混凝土，鋼管外徑1.0m，壁厚14mm，內(nèi)設(shè)輔助鋼筋加強(qiáng)。拱肋間設(shè)置道風(fēng)撐，風(fēng)撐外徑0.6m，壁厚14mm。拱肋鋼材均采用Q345C鋼，壁厚全長(zhǎng)不變以便于施工。

拱肋架設(shè)采用分段起吊就位，逐段拼裝，并采用在連結(jié)點(diǎn)處搭設(shè)支架連結(jié)點(diǎn)的方法施工。施工時(shí)隨時(shí)注意拱軸線的調(diào)整。拱肋混凝土施工采用泵送頂升澆灌法，即在鋼管接近地面的適當(dāng)位置安裝一個(gè)帶閘門(mén)的進(jìn)料支管，直接與泵車的輸送管道相連，由泵車將混凝土連續(xù)不斷地自下而上灌入鋼管，C50混凝土灌注應(yīng)以拱頂對(duì)稱中心，由拱腳至拱頂連續(xù)澆注。

3.2 吊桿設(shè)計(jì)

每根拱肋上設(shè)置吊桿9根，間距均為5.5m。吊桿采用Φs15.2-7環(huán)氧鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk=1860MPa。吊桿施工時(shí)首先將吊桿兩端的螺母旋出，將起吊設(shè)備的牽引繩由待穿吊桿的拱上預(yù)留孔放下，穿過(guò)球形墊塊及球形螺母，再將吊牽引繩的連接頭與吊桿上端錨頭內(nèi)螺紋連接，并將錨頭從拱肋上的預(yù)埋孔管牽引出預(yù)埋墊板，繼續(xù)上提至下端錨頭裝入下預(yù)埋管，放下吊桿，裝上球形墊板并旋上球形螺母。在下端預(yù)埋管內(nèi)應(yīng)灌入OVM.PZ型防腐材料作為填充材料，務(wù)必將錨頭處全部充滿，下端防水罩安裝要求密封不滲水。

3.3 主橋橋面系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主橋橋面系結(jié)構(gòu)部分主要由系梁，中橫梁和強(qiáng)大的端橫梁組成。兩根縱向系梁將一組橫向中端橫梁串連在一起形成一平面網(wǎng)格系承擔(dān)著端橫梁與系梁交點(diǎn)處拱腳的水平推力，將橋面系恒載及活載通過(guò)與系梁和中橫梁結(jié)點(diǎn)處連接的吊桿傳至拱肋，同時(shí)約束吊桿下端的位移，為拱肋提供非保向力作用以增強(qiáng)其橫向穩(wěn)定性。

（1）系梁。系梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)心斷面，其斷面尺寸為高1.0m，寬1.4m。在每根系梁內(nèi)沿形心軸對(duì)稱布置8束標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk=1860MPa的預(yù)應(yīng)力鋼束。在河中搭設(shè)臨時(shí)滿堂支架，超載預(yù)壓后，現(xiàn)澆系梁并在系梁外側(cè)埋設(shè)過(guò)橋管道角鋼支架。待各部分系梁達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度90%后，在端橫梁后端張拉系梁內(nèi)縱向永久預(yù)應(yīng)力索，張拉系梁內(nèi)N1、N2號(hào)鋼束，等第一次張拉吊桿鋼束結(jié)束，張拉系梁內(nèi)N3、N4號(hào)鋼束。張拉工序：0→初應(yīng)力→σcon（持荷兩分鐘錨固）。（2）中橫梁。中橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土T形梁，與現(xiàn)澆橋面板相接，通過(guò)橋面縱向預(yù)應(yīng)力鋼束與橋面板結(jié)成整體，斷面高0.7m～0.79m。梁全長(zhǎng)8.5m，頂寬3.1m，底寬0.7m。計(jì)算跨徑（橫向兩吊桿間距離）為9.9m。內(nèi)設(shè)2束標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk=1860MPa的7-Φs15.2低松弛高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，采用OVM系列錨具錨固。中橫梁采用預(yù)制法施工，待混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%后，張拉中橫梁內(nèi)N1號(hào)鋼束并及時(shí)壓漿。待第一次吊桿張拉結(jié)束，再?gòu)埨袡M梁中的N2鋼束。待橋面板混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%后，張拉橋面板預(yù)應(yīng)力鋼束并及時(shí)壓漿封錨。（3）端橫梁。端橫梁為鋼筋混凝土箱形梁，斷面高1.5m，寬2.05m，最小壁厚0.3m，計(jì)算跨徑（橫向兩拱肋間距離）為8.5m。內(nèi)設(shè)16束標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)pk=1860MPa的7-Φs15.2低松弛高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼絞線，采用OVM系列錨具錨固。端橫梁在橋墩施工完成后于墩頂上立?，F(xiàn)澆，澆筑時(shí)預(yù)留橫梁拱座槽口及系梁預(yù)應(yīng)力束張拉槽口。端橫梁混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度95%時(shí)方可進(jìn)行拱座內(nèi)拱肋鋼管的安裝，澆筑拱座混凝土，布置拱端錨固塊鋼筋、縱向預(yù)應(yīng)力束管道，澆筑拱端錨固塊混凝土。現(xiàn)澆橋面板施工應(yīng)注意伸縮縫的位置和泄水管的位置，橋面安裝應(yīng)對(duì)稱進(jìn)行，以河道中心線對(duì)稱軸，由兩端往橋中心依次澆筑。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

4.1 有限元模型建立

為準(zhǔn)確分析計(jì)算結(jié)構(gòu)真實(shí)受力狀況，選用空間有限元軟件Midas Civil對(duì)于本結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和分析，并考慮施工階段效應(yīng)，將結(jié)構(gòu)中的欄桿、水管、橋面鋪裝等附屬結(jié)構(gòu)在計(jì)算中以均布荷載代替。在有限元模型中采用梁?jiǎn)卧M主拱、風(fēng)撐、橋面板和橫梁；采用桁架單元模擬吊桿，模型節(jié)點(diǎn)共計(jì)593個(gè)，單元共計(jì)900個(gè)。整個(gè)模型的邊界條件處理是將系梁梁端進(jìn)行約束，如圖1所示。

圖1 拱橋有限元整體模型

4.2 計(jì)算荷載及組合

本次分析計(jì)算參照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2004），主要考慮按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)作用效應(yīng)的組合和按正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)作用效應(yīng)的組合并選取最不利效應(yīng)，主要選取的荷載組合如表1所示。

表1 各荷載組合工況的荷載組成

4.3 主拱成橋階段分析計(jì)算結(jié)果

4.3.1 主拱承載能力極限狀態(tài)分析結(jié)果。根據(jù)有限元軟件的分析計(jì)算結(jié)果，拱橋的主要構(gòu)件主拱肋、吊桿的驗(yàn)算結(jié)果如下。

（1）主拱肋。拱橋主拱肋的應(yīng)力分布如圖2所示，主拱肋的最大壓應(yīng)力為222.8MPa，出現(xiàn)在拱肋兩側(cè)拱腳處。構(gòu)件的整體應(yīng)力小于《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)程》（DBJ/T13-136-2011）里面規(guī)定Q345C鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值315MPa，主拱肋的強(qiáng)度滿足要求。

圖2 主拱肋應(yīng)力分布圖（單位：MPa）

（2）吊桿。拱橋吊桿的應(yīng)力分布如圖3所示，吊桿的最大拉應(yīng)力為502.7MPa，出現(xiàn)在拱橋中間的吊桿處。吊桿的整體應(yīng)力小于《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)程》（DBJ/T13-136-2011）里面規(guī)定Strand1860鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1260MPa，主拱吊桿的強(qiáng)度要求。

圖3 吊桿應(yīng)力分布圖（單位：MPa）

4.3.2 正常使用極限狀態(tài)分析結(jié)果。根據(jù)有限元軟件的分析計(jì)算結(jié)果，拱橋的各主要構(gòu)件計(jì)算結(jié)果如下。

（1）主拱肋及風(fēng)撐鋼管。拱橋主拱肋鋼管的應(yīng)力見(jiàn)圖4，鋼管最大壓應(yīng)力為182.5MPa，出現(xiàn)在拱腳處的主拱肋鋼管；鋼管的最小壓應(yīng)力為165.4MPa，出現(xiàn)在拱肋中部。主拱肋鋼管拱腳處部分單元的應(yīng)力小于《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)程》（DBJ/T13-136-2011）里面規(guī)定Q345C鋼材的0.8倍強(qiáng)度設(shè)計(jì)值252MPa，滿足要求。

圖4 主拱肋鋼管應(yīng)力（單位：MPa）

（2）主拱肋及風(fēng)撐混凝土。拱橋主拱肋混凝土的應(yīng)力見(jiàn)圖5，混凝土最大壓應(yīng)力為18.0MPa，出現(xiàn)在拱腳處?；炷恋恼w壓應(yīng)力小于《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2004）里面規(guī)定的0.8倍軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值19.4MPa，滿足要求。

圖5 主拱肋混凝土應(yīng)力（單位：MPa）

（3）吊桿。作用短期效應(yīng)組合作用下，拱橋吊桿的應(yīng)力見(jiàn)圖6，最大拉應(yīng)力為418.7MPa，出現(xiàn)在拱橋中間的吊桿處；鋼管的最小拉應(yīng)力為366Pa，出現(xiàn)在兩側(cè)的吊桿處。拱橋吊桿的應(yīng)力小于《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)程》（DBJ/T13-136-2011）里面規(guī)定strand1860鋼材的0.5倍強(qiáng)度設(shè)計(jì)值630MPa，滿足要求。

圖6 吊桿應(yīng)力（單位：MPa）

作用長(zhǎng)期荷載組合作用下拱橋吊桿的應(yīng)力見(jiàn)圖7，最大拉應(yīng)力為419.8MPa，出現(xiàn)在拱橋中間的吊桿處；鋼管的最小拉應(yīng)力為366.7Pa，出現(xiàn)在兩側(cè)的吊桿處。拱橋吊桿的應(yīng)力小于《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)程》（DBJ/T13-136-2011）里面規(guī)定strand1860鋼材的0.4倍強(qiáng)度設(shè)計(jì)值504MPa，滿足要求。

圖7 吊桿應(yīng)力（單位：MPa）

（4）橋面板。拱橋橋面板的撓度和應(yīng)力見(jiàn)圖8。荷載短期效應(yīng)組合并考慮荷載長(zhǎng)期效應(yīng)影響下，橋面板最大撓度為27.05mm，小于《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2004）第6.5.3規(guī)定的L/650=88.62mm，滿足要求。由圖可知，在短期荷載作用下，橋面板最大應(yīng)力為-0.9MPa，未出現(xiàn)拉應(yīng)力。在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下，橋面板最大壓應(yīng)力為12.2MPa，小于《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2004）第7.1.5規(guī)定的0.5fck=16.2MPa，符合規(guī)范要求。

（b）短期荷載作用下橋面板應(yīng)力（單位：MPa）

圖8 短期荷載作用下橋面板撓度與應(yīng)力圖

（5）系梁與橫梁。拱橋橫梁在短期效應(yīng)組合及標(biāo)準(zhǔn)組合作用作用下的應(yīng)力分布如圖9、圖10，混凝土最大應(yīng)力為-3.5MPa，出現(xiàn)在拱橋兩側(cè)的橫梁系梁交接處，橫梁未出現(xiàn)拉應(yīng)力。滿足全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件不出現(xiàn)拉應(yīng)力的要求且整體壓應(yīng)力小于《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2004）里面規(guī)定的0.5倍軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值16.2MPa，滿足要求。在標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，最大壓應(yīng)力為16.2MPa，滿足規(guī)范要求。

圖9 短期組合下橫梁應(yīng)力（單位：MPa）

圖10 標(biāo)準(zhǔn)組合下橫梁應(yīng)力（單位：MPa）

（6）拱橋的撓度。拱橋的整體撓度見(jiàn)圖11，最大的負(fù)撓度（向下）為34.3mm，出現(xiàn)在拱橋中間；最大的正撓度（向上）為13.8mm，出現(xiàn)在拱橋的兩端。正負(fù)撓度最大絕對(duì)值之和為48.1mm，小于《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)程》（DBJ/T13-136-2011）里面規(guī)定的最大撓度88.62mm，撓度計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

（a）拱橋正向撓度（單位：mm）

（b）拱橋負(fù)向撓度（單位：mm）

圖11 拱橋撓度計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

依托工程主橋?yàn)閱慰缦鲁惺戒摴芑炷料禇U拱橋，其作為現(xiàn)代城市橋梁結(jié)構(gòu)形式較新穎，文章結(jié)合實(shí)際工程地質(zhì)，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)布置，考慮按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)組合并選取最不利效應(yīng)，通過(guò)詳盡的結(jié)構(gòu)計(jì)算，驗(yàn)算得出結(jié)構(gòu)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)整體和局部構(gòu)件安全可靠，綜合考慮結(jié)構(gòu)合理性、經(jīng)濟(jì)性和景觀性，得出該橋梁應(yīng)用于城市景觀要求較高的中等跨度橋梁是可行的，該橋的成功實(shí)施可為同類橋梁設(shè)計(jì)計(jì)算和施工提供范例。

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作者簡(jiǎn)介：陸文超（1976），男，工學(xué)碩士、高級(jí)工程師，國(guó)家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師、注冊(cè)咨詢工程師，主要從事復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與科研工作。