平鋼腹板-混凝土組合拱橋試設(shè)計研究

黃卿維， 葉 琳， 陳寶春

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院， 福建 福州　350116)

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平鋼腹板-混凝土組合拱橋試設(shè)計研究

黃卿維， 葉 琳， 陳寶春

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院， 福建 福州350116)

摘要：平鋼腹板-混凝土組合拱是由平鋼腹板和混凝土頂?shù)装褰M合而成的新型結(jié)構(gòu). 以主跨160 m的嶺兜大橋為原型進(jìn)行該新橋型的試設(shè)計研究. 結(jié)果表明， 試設(shè)計滿足規(guī)范要求. 與原橋相比， 試設(shè)計橋梁可減輕拱圈自重約37%， 并方便施工； 與波形鋼腹板-混凝土組合拱橋相比， 能發(fā)揮鋼腹板的抗壓與抗拉作用， 提高腹板的材料利用率， 拱圈自重減少約6%， 是一種具有應(yīng)用前景的新橋型.

關(guān)鍵詞：混凝土拱橋； 平鋼腹板； 波形鋼腹板； 試設(shè)計； 懸臂拼裝施工

0引言

混凝土拱橋是一種常見的橋型， 在地質(zhì)、 地形條件較好的山區(qū)、 海島具有廣泛的應(yīng)用. 對于活載比重較大、 動力問題較為突出的高速鐵路， 拱橋更因其跨越能力強(qiáng)、 剛度大而成為具有很強(qiáng)競爭力的橋型. 如近期我國在建的滬昆高速鐵路南盤江大橋(416 m)、 北盤江大橋(445 m)、 西班牙的Almonte大橋(384 m)以及德國高速鐵路VDE8柏林聯(lián)接紐倫堡和慕尼黑的線路中眾多的混凝土拱橋(跨徑為90～270 m)[1-2].

混凝土拱橋因其自重大、 施工困難， 制約了其發(fā)展. 采用鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)是減輕其自重的有效途徑之一， 我們于2003年提出了波形鋼腹板-混凝土組合箱拱(簡稱波形鋼腹板拱)的構(gòu)思， 開展了試設(shè)計、 極限承載力、 抗震性能等系列研究， 結(jié)果表明它較之傳統(tǒng)的鋼筋混凝土拱， 可大大減輕拱圈結(jié)構(gòu)的自重， 簡化施工工藝， 受力性能與鋼筋混凝土拱相似， 地震作用力下降， 具有相當(dāng)?shù)目尚行訹3-6]. 然而， 對于以受壓為主的拱結(jié)構(gòu)來說， 波形板的折迭效應(yīng)削弱了截面抵抗軸壓力的能力. 為此， 又于2005年提出了由平鋼腹板和混凝土頂?shù)装褰M成的組合箱拱的設(shè)想， 稱之為平鋼腹板-混凝土箱形拱(簡稱平鋼腹板拱)[7]. 將波形鋼腹板拱、 平鋼腹板拱統(tǒng)稱為鋼腹板-混凝土(組合)拱， 并就此開展了系列的研究.

法國學(xué)者最早提出了平鋼腹板-混凝土組合箱梁橋， 并建成了Ferte-Saint-Aubin試驗橋. 研究發(fā)現(xiàn)， 平鋼腹板因?qū)數(shù)谆炷涟逶诳v橋向變形產(chǎn)生較大的約束， 導(dǎo)致本應(yīng)施加在頂?shù)装宓念A(yù)應(yīng)力損失嚴(yán)重， 且其自身存在失穩(wěn)問題. 為此， 法國學(xué)者提出用波形鋼板代替平鋼腹板， 這才產(chǎn)生了波形鋼腹板PC組合箱梁[8]. 然而， 在PC組合梁中被否認(rèn)的平鋼腹板， 在混凝土拱中卻得到了應(yīng)用. 原因如下： 一是拱結(jié)構(gòu)以受壓為主， 沒有施加預(yù)應(yīng)力， 不存在由于鋼板與混凝土變形量相差引起預(yù)應(yīng)力損失問題， 且平鋼腹板能與頂?shù)装骞餐挚馆S壓力； 二是拱結(jié)構(gòu)中剪力較小， 腹板的受剪穩(wěn)定問題不如梁中突出. 基于此， 我們開展了平鋼腹板拱的系列研究， 本文是該系列研究中的試設(shè)計部分， 以福建嶺兜大橋為背景， 進(jìn)行試設(shè)計和設(shè)計計算， 并與原橋和波形鋼腹板拱橋試設(shè)計進(jìn)行材料、 結(jié)構(gòu)受力性能、 施工性能、 美觀與耐久性的比較.

1平鋼腹板拱試設(shè)計

1.1背景工程簡介

選取嶺兜大橋為背景工程， 該橋位于福建省寧德市， 橋面寬度為凈-9 m+2×0.5 m防撞欄. 設(shè)計荷載為汽-超20級， 掛車-120. 主跨為混凝土箱拱， 凈跨徑為160 m， 凈矢跨比為1/4， 拱軸線為懸鏈線， 拱軸系數(shù)m=2.114. 主拱采用單箱四室截面， 拱圈高度為250 cm， 寬度為800 cm， 頂、 底板厚度分別為25和20 cm， 邊、 中腹板厚度分別為12和41 cm. 拱圈橫隔板每3 m左右設(shè)置一道. 主拱采用斜拉懸臂拼裝鋼筋薄板箱合龍、 澆筑拱圈混凝土的方法施工. 拱上立柱采用等截面薄壁箱形雙立柱結(jié)構(gòu)形式. 橋面系主梁為13 m×13 m簡支預(yù)應(yīng)力空心板， 橋面鋪裝連續(xù). 該橋于2007年8月建成通車， 詳細(xì)設(shè)計、 施工資料見文獻(xiàn)[9].

為便于與原橋比較， 鋼腹板-混凝土拱橋試設(shè)計僅將原主拱圈鋼筋混凝土截面改為波形鋼腹板-混凝土截面和平鋼腹板-混凝土截面， 其他結(jié)構(gòu)參數(shù)如拱上建筑、 橋面系、 拱座、 基礎(chǔ)等均與原橋相同； 波形鋼腹板拱橋試設(shè)計資料詳見文獻(xiàn)[4]， 以下僅介紹平鋼腹板拱橋不同的部分.

1.2主拱圈構(gòu)造、 結(jié)構(gòu)尺寸及拱軸線形

試設(shè)計拱圈為單箱三室結(jié)構(gòu)， 采用4塊平鋼板代替原設(shè)計中的5片混凝土腹板， 縱向采用等高240 cm， 橫向等寬800 cm， 如圖1所示. 頂?shù)装宀捎?5 cm厚度混凝土板， 腹板采用Q345平鋼板， 其高度為1 700 mm， 厚度為8 mm. 橫隔板的位置與厚度不變， 僅尺寸相應(yīng)進(jìn)行變動.

本試設(shè)計是基于波形鋼腹板拱試設(shè)計[4]而進(jìn)行的， 經(jīng)過試算對拱圈截面進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整. 為避免腹板出現(xiàn)失穩(wěn)， 按照規(guī)范GB 50017—2003[10]相關(guān)規(guī)定進(jìn)行加勁肋的設(shè)計， 加勁肋采用厚度10 mm的Q345鋼板， 具體構(gòu)造可見圖2.

1.3結(jié)合部設(shè)計

平鋼腹板拱的接合部主要有： 平鋼板之間的接合部、 平鋼板與混凝土頂?shù)装逯g的接合部、 平鋼板與橫隔板之間的接合部. 試設(shè)計中， 平鋼板間均采用對接焊(見圖3)， 平鋼腹板與混凝土頂?shù)装宓慕雍喜坎捎瞄_孔鋼板連接件， 即PBL鍵(見圖4)， 平鋼腹板與橫隔板之間的連接采用圓柱頭栓釘連接件， 其具體構(gòu)造見圖5.

1.4施工方法

試設(shè)計仍采用與原橋一樣的斜拉懸臂拼裝施工方法， 將主拱分成兩個預(yù)制邊箱(詳見圖1陰影部分)和中間現(xiàn)澆段. 單個預(yù)制邊拱箱沿拱軸線方向分成6段(最大吊重為63 t)， 其高度和寬度分別為225 cm和220 cm， 頂?shù)装搴穸染鶠?0 cm. 待兩個邊拱箱合龍后， 澆筑預(yù)制節(jié)段間橫系梁， 并按對稱加載的工序澆筑拱圈中箱頂?shù)装澹?最后進(jìn)行拱上建筑和附屬結(jié)構(gòu)的施工.

2試設(shè)計橋受力計算

2.1內(nèi)力計算

試設(shè)計采用原設(shè)計規(guī)范JTG 021—89[11]、 JTG 023—85[12]和JTG 022—85[13]進(jìn)行設(shè)計計算， 以便與原橋進(jìn)行比較. 運(yùn)用通用計算軟件， 建立平面有限元模型進(jìn)行計算. 表1給出了試設(shè)計橋梁在恒載和可變荷載作用下的內(nèi)力計算結(jié)果， 并按JTJ 023—85[12]的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行荷載效應(yīng)組合.

表1　試設(shè)計拱圈內(nèi)力計算表

2.2承載力驗算

表2給出了試設(shè)計拱圈的驗算結(jié)果， 假定組合拱圈在進(jìn)入極限狀態(tài)時截面達(dá)到了完全塑性， 根據(jù)截面等效矩形應(yīng)力圖計算彎矩. 由于拱結(jié)構(gòu)中的剪力較小， 結(jié)構(gòu)失效假定是由于受壓區(qū)混凝土被壓碎而造成的. 經(jīng)過驗算， 試設(shè)計拱圈控制截面的受力滿足規(guī)范要求.

表2　拱圈在使用階段的承載力驗算表

2.3施工應(yīng)力驗算

根據(jù)規(guī)范JTJ 023—85[12]， 進(jìn)行施工階段的拱圈應(yīng)力驗算， 選取裸拱和成橋的兩個施工工況進(jìn)行拱圈截面應(yīng)力驗算， 結(jié)果見表3. 由表3可知， 試設(shè)計橋梁拱圈截面應(yīng)力滿足規(guī)范要求.

表3　拱圈在施工階段的應(yīng)力驗算

2.4穩(wěn)定驗算

裸拱和成橋階段的穩(wěn)定性驗算結(jié)果見表4. 由表4可知， 在未計入拱軸線變形對拱圈面內(nèi)外穩(wěn)定性影響的條件下， 其結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)均大于荷載效應(yīng)， 試設(shè)計橋梁的穩(wěn)定性能滿足規(guī)范要求.

表4　穩(wěn)定性驗算結(jié)果

3試設(shè)計結(jié)果分析

3.1拱圈工程量比較

由于依然采用原橋的上部結(jié)構(gòu)， 僅對主拱圈工程數(shù)量進(jìn)行比較， 見表5.

表5　拱圈工程數(shù)量表

從表5可知， 與混凝土拱相比， 鋼腹板-混凝土組合拱的混凝土用量減少、 鋼材用量增加. 具體來說， 波形鋼腹板拱和平鋼腹板拱的混凝土用量分別為混凝土拱的67%和60%， 鋼材用量分別為混凝土拱的134%和148%； 由于鋼腹板自重輕， 其拱圈的結(jié)構(gòu)自重均較混凝土拱有大幅度的降低， 波形鋼腹板拱和平鋼腹板拱分別為混凝土拱的69%和63%. 文獻(xiàn)[14]以跨徑150 m的鋼筋混凝土拱橋?qū)崢驗樵停?也進(jìn)行了平鋼腹板拱橋試設(shè)計研究. 結(jié)果表明， 與原橋相比， 新結(jié)構(gòu)可減輕拱圈自重38%， 試設(shè)計結(jié)果與本文相近.

粗略地進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析， 若以每噸鋼筋和每立方混凝土的工程造價為10 ∶1計算的話， 與混凝土拱橋相比， 鋼腹板拱節(jié)省的混凝土方量與增加的鋼筋噸數(shù)也基本為10 ∶ 1， 則主拱圈的材料費(fèi)用則基本持平. 但考慮到結(jié)構(gòu)自重減輕可使得下部結(jié)構(gòu)工程數(shù)量減少， 預(yù)制節(jié)段減少所帶來施工的便利、 施工設(shè)備費(fèi)用的降低和工期的縮短， 以及免除復(fù)雜的混凝土腹板施工工藝所帶來的人工費(fèi)用的減小等因素， 鋼腹板拱的工程造價將要比傳統(tǒng)的鋼筋混凝土拱橋低.

至于兩種鋼腹板拱， 平鋼腹板拱與波形鋼腹板拱相比， 鋼材用量多了15.2 t， 混凝土數(shù)量少了92.6 m3， 拱圈結(jié)構(gòu)重量輕了217.8 t， 工程數(shù)量與工程造價差異并不明顯.

3.2結(jié)構(gòu)受力性能比較

與原設(shè)計相比， 兩座試設(shè)計橋梁的結(jié)構(gòu)內(nèi)力均有不同程度的降低(見表6)， 其中波形鋼腹板拱拱頂軸力為28.99 MN， 降低了17%， 拱腳軸力為43.81 MN， 降低了15%； 平鋼腹板拱拱頂軸力為27.93 MN， 降低了20%， 拱腳軸力為41 MN， 降低了20%.

表6　結(jié)構(gòu)自重作用下的拱圈內(nèi)力計算表

表7所示的為溫度效應(yīng)作用下的拱圈內(nèi)力計算表. 從表中可知， 與原設(shè)計相比， 平鋼腹板拱在所有截面的溫度內(nèi)力均比原橋小， 原因是其截面抗彎剛度均比原橋??； 對于波形鋼腹板拱， 其拱腳、L/8截面處溫度內(nèi)力較原橋大， 其余截面內(nèi)力均較小， 原因是波形鋼腹板拱的拱腳節(jié)段頂、 底板比原橋厚， 導(dǎo)致截面抗彎剛度也較大， 而其他節(jié)段截面的剛度比原橋小.

在橋梁設(shè)計過程中， 為了方便計算， 常常將收縮徐變按照降溫效應(yīng)來考慮， 而溫度效應(yīng)跟截面抗彎和抗壓剛度有關(guān). 因此， 若僅以波形鋼板或平鋼板來代替拱圈中的混凝土腹板， 而不改變拱圈高度及其頂?shù)装搴穸龋?則在這三座拱橋中， 傳統(tǒng)鋼筋混凝土拱橋的溫度(收縮徐變)效應(yīng)內(nèi)力最大， 波形鋼板由于其折迭效應(yīng)， 并不限制軸向變形， 波形鋼腹板拱橋的溫度(收縮徐變)內(nèi)力最小， 平鋼腹板拱橋次之.

表7　溫度效應(yīng)作用下的拱圈內(nèi)力計算表

3.3施工性能比較

原設(shè)計采用斜拉懸臂拼裝方法施工， 每片拱肋橫向分為4個預(yù)制拱肋， 拱軸方向分為7段預(yù)制(最大起吊重量為65 t). 波形鋼腹板拱與平鋼腹板拱預(yù)制節(jié)段的吊裝重量分別從65 t降低為60和63 t， 預(yù)制節(jié)段總數(shù)量從28段降低為12段(僅吊裝兩個邊拱肋)， 節(jié)省了大量的預(yù)制場地以及大量的臨時的施工設(shè)備(如斜拉索)， 并使得拱圈能較快合龍， 施工安全性獲得提高. 合龍后可免除腹板混凝土的澆筑工序， 施工方便， 工期縮短. 值得一提的是， 目前新規(guī)范JTG D61—2005[15]規(guī)定預(yù)制的拱箱最小板厚從舊規(guī)范JTG 022—85[13]的50 mm提高到100 mm后， 預(yù)制拱箱重量將進(jìn)一步增大， 導(dǎo)致預(yù)制節(jié)段數(shù)量增加， 施工工序和難度均有所增加， 因此鋼腹板-混凝土組合拱橋在懸臂拼裝施工性能上的優(yōu)勢將更為明顯.

對兩種鋼腹板-混凝土組合拱橋， 波形鋼腹板的制作如采用專門的設(shè)備加工， 則制作不難， 否則較難， 此外其較低的彎曲剛度便于拼裝， 但在施工吊裝過程中需臨時加勁. 平鋼腹板雖不需要專門的加工設(shè)備， 但需要布置縱橫向加勁板， 用鋼量與焊接工程量均較大， 而且其拼裝因剛度大對精度要求較高.

3.4美觀與耐久性

兩種鋼腹板-混凝土組合拱橋的外觀比較， 由于腹板與頂?shù)装宓牟馁|(zhì)不同， 較之混凝土拱有更好的立面效果， 波形鋼腹板拱的折迭會進(jìn)一步強(qiáng)化這種效果， 具有更好的表現(xiàn)力.

在耐久性方面， 二者均需要進(jìn)行鋼腹板的防腐， 故需預(yù)留后期檢查、 涂裝的通道， 鋼與混凝土結(jié)合處的排水需要進(jìn)行精心的細(xì)節(jié)設(shè)計和施工， 波形鋼腹板的折疊處和平鋼腹板的加勁構(gòu)件等均需要引起特別的注意， 如同鋼箱拱橋， 平鋼腹板加勁構(gòu)件焊接聯(lián)接的疲勞也可能是需要特別研究與關(guān)注的.

4結(jié)語

平鋼腹板-混凝土拱橋試設(shè)計研究結(jié)果表明， 與原設(shè)計相比， 主拱圈自質(zhì)量從原橋的3 495.5 t， 減小到2 209.8 t， 自質(zhì)量減輕近37%. 拱圈各截面在自質(zhì)量作用下， 軸力均顯著降低， 拱頂軸力比原設(shè)計減小了21%； 拱腳軸力比原設(shè)計降低了20%. 由此可知， 平鋼腹板-混凝土拱橋較混凝土拱可以大幅度降低拱圈自重， 方便施工， 縮短工期， 具有較好的應(yīng)用可行性.

平鋼腹板-混凝土拱橋與波形鋼腹板-混凝土拱橋均采用鋼腹板代替混凝土拱中的混凝土腹板， 二者主拱材料用量相近， 均具有可行性， 但二者在施工性能、 美觀效果與耐久性等方面有細(xì)微的差異， 需根據(jù)實際工程情況選用.

本文所進(jìn)行的試設(shè)計研究還是初步的， 需對其開展全面深入的應(yīng)用基礎(chǔ)研究， 更需要通過依托工程開展針對性的具體研究， 在總結(jié)依托工程經(jīng)驗的基礎(chǔ)上， 推廣應(yīng)用.

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(責(zé)任編輯： 蔣培玉)

Trial-design research on concrete arch bridge with plain steel webs

HUANG Qingwei, YE Lin, CHEN Baochun

(College of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou, Fujian 350116, China)

Abstract:Composite box arch with the section composed of flat steel web plates and concrete flanges is proposed as a new type structure. In this paper, taking the Fujian Lingdou arch bridge with a 160 m span as a prototype, a trial design research on the proposed new composite arch structure is carried out. Design calculation indicated the trial design can meet the design requirement. Compared to the concrete bridge, the trial design can reduce the self-weight of the arch ring by about 37% and make construction convenient. Compared to the concrete bridge with corrugated steel web, the trial design can improve the steel web usage efficiency and reduce the self-weight of the arch ring by about 6%. Therefore this composite box arch is a new structure type with good application future.

Keywords:concrete arch bridge; flat steel web plate; corrugated steel web; trial design; cantilever assembling construction

中圖分類號：TU398.9； TU317

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

基金項目：福建省教育廳科技資助項目(JA12043)

通訊作者:黃卿維(1982-)， 副研究員， 博士， 主要從事橋梁與結(jié)構(gòu)工程研究， huangqingwei@fzu.edu.cn

收稿日期:2014-10-09

文章編號：1000-2243(2016)02-0232-06

DOI:10.7631/issn.1000-2243.2016.02.0232