小跨徑鋼管混凝土拱橋的設(shè)計(jì)與計(jì)算方法分析

陳 天 保

(山西省交通建設(shè)工程監(jiān)理總公司，山西 太原 030012)

小跨徑鋼管混凝土拱橋的設(shè)計(jì)與計(jì)算方法分析

陳 天 保

(山西省交通建設(shè)工程監(jiān)理總公司，山西 太原 030012)

以某45 m跨徑組合的下承式鋼管混凝土系桿拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象，介紹了其上部結(jié)構(gòu)的布置形式及施工技術(shù)，探討了其在鋼管混凝土拱橋“統(tǒng)一理論”下的計(jì)算方法，使該拱橋的設(shè)計(jì)滿足了相關(guān)規(guī)范要求。

系桿拱橋，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，拱肋，承載力

0 引言

鋼管混凝土系桿拱橋是將鋼管內(nèi)填充混凝土，由于鋼管的徑向約束而限制受壓混凝土的膨脹，使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而顯著提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。本著承載能力大，跨越能力強(qiáng)，受力簡單及結(jié)構(gòu)輕盈美觀的優(yōu)點(diǎn)在大跨徑山區(qū)道路建設(shè)上得到了長足的應(yīng)用，但在中小跨徑橋型中由于成本的制約關(guān)系應(yīng)用較少。本文以某一市政設(shè)計(jì)橋梁45 m跨徑組合的下承式鋼管混凝土系桿拱橋?yàn)榉治鰧?duì)象，該橋?yàn)榭缭揭粭l小河，滿足景觀設(shè)計(jì)要求而設(shè)。橋面寬度10 m，橋長為50 m，設(shè)計(jì)荷載為城—A級(jí)[1，2]。

1 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工

1.1 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為滿足JTG/T D65—06—2015公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范第3.4條的規(guī)定，鋼管混凝土截面采用單管截面，鋼管外徑為800 mm，壁厚14 mm，材質(zhì)為Q345耐候鋼，內(nèi)填C40微膨脹混凝土；為滿足橫向兩根主拱圈穩(wěn)定性設(shè)置兩根風(fēng)撐，風(fēng)撐鋼管截面外徑為600 mm，壁厚為12 mm；拱圈矢高為9 m，矢跨比為1∶5。吊桿采用OVMLZM55成品吊桿錨具，順橋向間距5 m，與中橫梁間距對(duì)應(yīng)，共計(jì)4對(duì)，吊桿采用單端張拉，拱頂張拉，系桿底錨固。系桿采用變截面形式，跨中截面形式為140 cm×120 cm，拱腳為180 cm×120 cm。

橋梁縱橫向布置如圖1所示。

1.2 橋梁結(jié)構(gòu)整體施工方法及要點(diǎn)

本橋下部結(jié)構(gòu)施工完畢后，上部結(jié)構(gòu)采用支架現(xiàn)澆完成橋面混凝土施工，吊桿初張拉力采用分批張拉，成橋后拆除支架，進(jìn)行二次張拉吊桿[3-5]，吊桿編號(hào)如圖2所示，具體施工步驟如下：

1)完成下部結(jié)構(gòu)施工及搭設(shè)支架。平整場(chǎng)地，完成橋臺(tái)樁基礎(chǔ)及橋臺(tái)施工；搭設(shè)主橋施工支架。

2)完成橋面行車道板預(yù)制。

3)完成系桿和橫梁混凝土在支架上澆筑；待養(yǎng)護(hù)完成后，張拉系桿、墩頂橫梁第一批預(yù)應(yīng)力束。

4)安裝預(yù)制橋面行車道板。

5)分段吊裝主拱圈鋼管。主拱圈鋼管與拱座定位應(yīng)準(zhǔn)確，待定位完成再澆筑拱座混凝土，待混凝土養(yǎng)護(hù)完成后，再吊裝拱頂段鋼管。

6)澆筑拱圈混凝土。澆筑主拱圈混凝土確保混凝土密實(shí)，避免混凝土凝固后與主拱圈脫空。

7)分批初張拉吊桿，吊桿張拉順序?yàn)?→3→2→1。

8)拆除支架，完成體系轉(zhuǎn)換。

9)二次張拉吊桿，吊桿張拉順序?yàn)?→3→2→1。

10)完成二期鋪裝。

11)收縮徐變，后期運(yùn)營。

2 橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算

本文鋼管混凝土采用“統(tǒng)一理論”進(jìn)行計(jì)算分析?！敖y(tǒng)一理論”就是把鋼管混凝土視為一種組合材料，用構(gòu)件的整體幾何特性和鋼管混凝土的組合性能指標(biāo)來計(jì)算構(gòu)件的各項(xiàng)承載力，不再區(qū)分鋼管和混凝土[7]。

2.1 拱肋承載力計(jì)算

按照J(rèn)TG/T D65—06—2015公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范第5.2條規(guī)定，鋼管混凝土偏心受壓構(gòu)件的承載力按式(1)驗(yàn)算[7]：

γN≤φlφeKpKdfscAsc

(1)

按照本橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及拱肋截面尺寸，經(jīng)計(jì)算可知：

φl=0.9；φe=0.88；Kp=0.9；Kd=0.95；

fsc=44.3 MPa；Asc=0.502 4 m2。

將上述代入式(1)可得：

R=φlφeKpKdfscAsc=15 089 kN。

主橋采用MIDAS CIVIL有限元軟件建模分析，主拱圈內(nèi)力分布如圖3所示，主拱肋單元分布為1號(hào)及18號(hào)單元為拱腳單元，9號(hào)單元為拱頂單元，其余單元為拱腳(拱頂)到拱頂(拱腳)過渡單元。

計(jì)算結(jié)果表明：承載能力極限狀態(tài)下，拱肋軸向壓力最大值為6 374.7 kN，小于結(jié)構(gòu)抗力R=15 089 kN，滿足規(guī)范JTG/T D65—06—2015公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范第5.1.3條規(guī)定。

2.2 拱肋應(yīng)力計(jì)算

按照上述計(jì)算方法，計(jì)算主拱肋成橋狀態(tài)下的應(yīng)力分布如圖4所示。 可以看出，成橋狀態(tài)主拱肋應(yīng)力分布較均勻，均為壓應(yīng)力，最大拱腳壓應(yīng)力為17.3 MPa，最小拱頂壓應(yīng)力為12.7 MPa；均小于44.3 MPa，滿足JTG/T D65—06—2015公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范的設(shè)計(jì)要求[6，7]。

2.3 拱肋撓度驗(yàn)算

按照上述計(jì)算方法，計(jì)算活載作用下主拱肋撓度值為13.3 mm(位于L/4處，正負(fù)撓度之和)，遠(yuǎn)小于規(guī)范容許值，滿足JTG/T D65—06—2015公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范第6.2.1條規(guī)定[7]。

2.4 拱肋穩(wěn)定性驗(yàn)算

按照上述分析模型，建立屈曲分析模型，從穩(wěn)定分析模型的分析結(jié)果可以看出，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)均大于4，滿足JTG/T D65—06—2015公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范第5.9.1條規(guī)定[7]。

3 結(jié)語

1)鋼管混凝土系桿拱橋按照上述擬取結(jié)構(gòu)尺寸滿足在小跨徑橋跨組合上的應(yīng)用；其計(jì)算結(jié)果滿足鋼管混凝土采用“統(tǒng)一理論”進(jìn)行計(jì)算的要求。2)小跨徑組合鋼管混凝土系桿拱橋可以采用2次張拉吊桿力使結(jié)構(gòu)滿足使用要求。

[1] 杜 英.鋼管混凝土系桿拱橋的設(shè)計(jì)和施工[J].橋梁建設(shè)，2004(1)：36-38.

[2] 陳寶國.鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)與施工[M].北京：人民交通出版社，2003.

[3] 彭宣茂.系桿拱橋吊桿初始張拉力的計(jì)算方法[J].水利水電科技進(jìn)展，2000，20(6)：32-33.

[4] 四川省交通廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院.公路鋼管混凝土橋梁設(shè)計(jì)與施工指南[M].北京:人民交通出版社,2008.

[5] 邵旭東.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2003.

[6] JTG D62—2004，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[S].

[7] JTG/T D65—06—2015，公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Analysis on design and calculation method of small span steel tube concrete arch bridge

Chen Tianbao

(ShanxiTransportationConstructionEngineeringSupervisionCompany,Taiyuan030012,China)

Taking the through steel tube concrete tied arch bridge of a 45 m span composite as the research object, this paper introduced the layout types and construction technology of its upper structure, discussed the calculation method of it in steel tube concrete arch bridge “unified theory”, made the arch bridge design to meet the relevant regulations requirements.

tied arch bridge, structure design, arch rib, bearing capacity

1009-6825(2017)03-0182-02

2016-11-20

陳天保(1961- )，男，助理工程師

U448.22

A