多跨中承式系桿拱橋的系桿組合布置方案研究*

彭桂瀚 朱承堅(jiān) 林 偉

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院1) 福州 350116) (可持續(xù)與創(chuàng)新橋梁福建省高校工程研究中心2) 福州 350116)

多跨中承式系桿拱橋的系桿組合布置方案研究*

彭桂瀚1,2)朱承堅(jiān)1)林 偉1)

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院1)福州 350116) (可持續(xù)與創(chuàng)新橋梁福建省高校工程研究中心2)福州 350116)

以江西余興貴大橋?yàn)楸尘肮こ蹋捎糜邢拊治龇椒?，研究多跨中承式系桿拱橋中的通長系桿與分跨短系桿作用，討論合理系桿布置方案.結(jié)果表明，邊跨系桿減小拱腳負(fù)彎矩，可改善剛構(gòu)區(qū)受力性能；中跨系桿增大拱腳負(fù)彎矩，不利于主拱肋受力；通長系桿作用與邊跨系桿相同.從平衡推力、結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響及施工便利等方面綜合考慮，邊跨系桿與通長系桿的組合為合理方案.

系桿拱橋；系桿布置；有限元；邊跨系桿；通長系桿

0 引 言

桿拱橋中系桿是關(guān)鍵受力構(gòu)件，承擔(dān)大部分拱肋的不平衡水平推力.系桿拱橋施工工序繁瑣，施工過程中通過不斷調(diào)整系桿張拉力，確保結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行.文獻(xiàn)[1-2]以平衡水平推力為目標(biāo)，探討基礎(chǔ)與系桿力最佳組合形式；文獻(xiàn)[3]研究系桿力對拱肋內(nèi)力的影響；文獻(xiàn)[4]通過選擇矢跨比、邊跨壓重等措施實(shí)現(xiàn)系桿拱結(jié)構(gòu)自平衡.可見，系桿形式、張拉順序及大小等將直接影響結(jié)構(gòu)內(nèi)力.根據(jù)文獻(xiàn)[5-8]，系桿通常以通長形式錨固在端橫梁處，見圖1a)；有時(shí)為了滿足結(jié)構(gòu)受力及施工要求，系桿也可采用短系桿形式，如重慶菜園壩大橋采用了邊跨系桿與中跨系桿的短系桿組合方式，見圖1b)；江西余興貴大橋則采用邊跨系桿、中跨系桿與通長系桿等3種類型系桿的組合方式，見圖1c).系桿鋼束普遍采用直線束，不宜采用曲線束[9].各類系桿平衡水平推力的效果，對拱肋結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響等，目前缺少相關(guān)研究成果.本文以江西鷹潭余興貴大橋?yàn)楸尘肮こ?，建立空間有限元模型，研究邊跨系桿、中跨系桿及通長系桿對拱肋內(nèi)力影響，綜合考慮結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響、平衡推力效果以及施工方便性，探討合理系桿組合布置方案.

圖1 各類系桿示意圖

1 背景工程

江西余信貴大橋主橋是48 m+168 m+48 m中承式蝴蝶型鋼箱拱肋系桿拱橋.主拱拱肋跨徑168 m，矢高48 m，矢跨比為1/3.5.邊拱肋、邊跨主梁及主拱肋拱腳段組成的三角剛構(gòu)區(qū)采用混凝土結(jié)構(gòu)，主拱肋橋面以上采用鋼箱結(jié)構(gòu)，主跨主梁采用鋼-混凝土組合梁形式.總體布置圖見圖2.

圖2 余信貴大橋總體布置圖(單位：m)

該橋系桿系統(tǒng)由3部分組成：全橋通長系桿(8索15Φ55，編號T1)、中跨系桿(4索15Φ27，編號T2)、邊跨系桿(4索15Φ55，編號T3)，均為夾片式鋼絞線全防腐型可換可調(diào)系桿.通長系桿梁端張拉，錨固于主橋兩側(cè)端橫梁，從鋼橫梁預(yù)留孔洞及邊跨混凝土箱梁內(nèi)穿過；中跨系桿設(shè)于主跨鋼橫梁上部，兩端張拉且錨固于主拱肋混凝土段上；邊跨系桿穿過邊跨箱梁箱室，采用單端張拉，一端錨固于邊跨端橫梁處(張拉端)，另一端錨固于主拱肋混凝土段上(固定端).主要施工階段及設(shè)計(jì)系桿張拉力見表1.

表1 主要施工階段及系桿張拉

2 各類系桿作用分析

2.1 有限元模型

采用專業(yè)有限元軟件建立空間計(jì)算模型，見圖3.計(jì)算模型中，除了索結(jié)構(gòu)包括系桿與吊桿采用桁架單元模擬外，其他構(gòu)件模擬均采用空間梁單元[10].鋼-混凝土組合縱橫梁采用聯(lián)合截面模擬以保證時(shí)間依存性分析的準(zhǔn)確性；采用m法模擬樁土的相互作用，使用節(jié)點(diǎn)彈性支撐模擬；樁底采用固結(jié)約束.有限元模型共計(jì)2 406個(gè)節(jié)點(diǎn)，3 334個(gè)單元.

圖3 余信貴大橋有限元計(jì)算模型

2.2 平衡水平推力效果

表2詳細(xì)列出了主要施工階段，各類系桿承擔(dān)的水平推力具體數(shù)值.在施工過程中，邊跨系桿承擔(dān)水平推力基本不變，始終保持在3 000 kN左右；在安裝通長系桿前，中跨系桿承擔(dān)了大多數(shù)水平推力，最大比例達(dá)72.6%.但隨著通長系桿安裝并分階段張拉后，通長系桿承擔(dān)水平推力比例不斷增加，成橋時(shí)達(dá)到83.1%.分跨短系桿承擔(dān)比例不斷下降，成橋時(shí)中跨系桿與邊跨系桿承擔(dān)比例分別為9.5%與7.4%.通長系桿在成橋后承擔(dān)了大部分平衡推力，而分跨系桿分擔(dān)了施工階段的水平推力.

表2 各類系桿所承擔(dān)水平推力及所占百分比

張拉單一系桿以平衡拱腳水平推力為目標(biāo)，所需系桿張拉力與水平推力呈正比線性關(guān)系，見圖4.圖中邊跨系桿、中跨系桿與通長系桿張拉力與水平推力的關(guān)系直線的斜率分別0.11，0.77與0.90.平衡等量水平推力，以通長系桿所需張拉最小，為中跨系桿的86%，邊跨系桿的12%.

圖4 各類系桿張拉力與水平推力關(guān)系圖

2.3 對拱肋內(nèi)力影響

圖5 CS12階段拱肋內(nèi)力圖

以CS12施工階段為例，分析各系桿對拱肋內(nèi)力影響，見圖5.邊跨系桿對三角剛構(gòu)區(qū)的混凝土拱肋內(nèi)力影響大.張拉系桿后拱腳負(fù)彎矩大幅減小，主拱拱腳負(fù)彎矩峰值減小132.6 kN·m，減幅76%；同時(shí)拱肋軸向力增大，增幅邊拱肋大于主拱肋.邊跨系桿等同于對三角剛構(gòu)區(qū)施加預(yù)應(yīng)力作用，可提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性能，對結(jié)構(gòu)受力有利.

中跨系桿主要影響主拱肋內(nèi)力.張拉中跨系桿增大主拱肋拱腳負(fù)彎矩，峰值增加41.1 kN·m；減小拱腳段軸向壓力，增大橋面以上鋼箱拱肋的軸向壓力，對主拱肋整體受力不利，盡管減小了拱頂正彎矩.因此，施工過程中應(yīng)注重中跨系桿的張拉設(shè)計(jì)，需確保結(jié)構(gòu)安全.

通長系桿對拱肋內(nèi)力的影響與邊跨系桿相同，但幅度小于邊拱肋；彎矩影響小于軸力，對邊拱肋軸力影響較大.

圖6為系桿力與拱肋內(nèi)力關(guān)系圖，由圖6可知，系桿力與拱腳內(nèi)力呈線性關(guān)系.其中通長系桿、中跨系桿及邊跨系桿的主拱拱腳彎矩關(guān)系直線斜率分為-0.77，4.82及-4.29；邊拱拱腳彎矩直線斜率分為-0.53，1.13及-0.9；主拱拱腳軸力直線斜率分為0.026，-0.28與0.35；邊拱拱腳軸力直線斜率分為0.30，-0.14及0.47.中跨系桿對拱腳彎矩影響靈感度最大，通長系桿最??；而對拱腳軸力影響以邊跨系桿最大.

圖6 系桿張拉與拱肋內(nèi)力關(guān)系圖

3 系桿組合方案

系桿組合考慮以下3種方案，方案一為邊跨系桿、中跨系桿與通長系桿組合形式；方案二為邊跨系桿與中跨系桿組合形式；方案三為邊跨系桿與通長系桿組合形式.

3.1 系桿張拉力比較

以背景工程為例，各方案在五個(gè)主要階段張拉系桿力平衡水平推力，張拉力見表3.由于平衡推力以通長系桿為最優(yōu)，因此未設(shè)通長系桿的方案二總拉力最大；同時(shí)由于中跨系桿平衡推力效果優(yōu)于邊跨系桿，方案一總拉力最小，為方案二的84%.

3.2 拱肋內(nèi)力對比

圖7是CS17施工工況(階段五)系桿張拉下拱肋內(nèi)力圖.方案一與方案三內(nèi)力曲線變化規(guī)律相同，數(shù)值相差不大，彎矩值大致相同，軸向壓力方案三略大.方案二內(nèi)力曲線變化大，混凝土拱肋段彎矩值遠(yuǎn)大于方案一與方案三，軸向壓力小于方案一與方案三.圖8為主拱肋拱腳內(nèi)力圖，以受力最不利拱腳截面為例，方案二主拱肋拱腳負(fù)彎矩-221.8×103kN·m，方案一僅為-4.4×103kN·m，方案二是方案一的50.7倍.而軸向壓力方案一為方案二的1.3倍.

表3 系桿張拉力對比 kN

圖7 CS17階段主拱肋內(nèi)力對比

圖8 主拱肋拱腳內(nèi)力

比較3種組合方案對拱肋內(nèi)力及平衡推力的影響，方案二因未配置平衡效果最優(yōu)的通長系桿，需要張拉效果次之的中跨系桿以平衡水平推力.故3個(gè)組合方案中系桿張拉總量以方案二最大.同時(shí)張拉中跨系桿還將產(chǎn)生過大的拱腳負(fù)彎矩，對結(jié)構(gòu)極為不利.同比方案一與方案三，系桿張拉力總量方案一略??；對結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響相差不大，方案三效果略優(yōu).考慮到方案一較方案三多設(shè)中跨系桿，增加了施工調(diào)索工序，提高了工程造價(jià)，同時(shí)張拉中跨系桿時(shí)需密切關(guān)注結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形的變化情況，確保結(jié)構(gòu)施工安全.因此，綜合考慮施工便利性，工程造價(jià)，系桿張拉總量及結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響等因素，對于多跨中承式系桿拱橋，邊跨系桿與通長系桿組合的方案三為合理系桿布置方案.

4 結(jié) 論

1) 通長系桿未張拉前，水平推力主要由中跨系桿承擔(dān)；通長系桿張拉后，水平推力則由通長系桿承擔(dān)；邊跨系桿承擔(dān)水平推力比例小.

2) 平衡同等增量的水平推力，以通長系桿所需張拉力最小，中跨系桿略大，邊跨系桿最大.

3) 邊跨系桿與通長系桿減小拱肋拱腳處負(fù)彎矩，可改善土三角剛構(gòu)區(qū)受力狀況；中跨系桿作用則相反，且對主拱肋整體受力不利.

4) 綜合考慮各類系桿作用、平衡水平推力效果以及施工難易性，得出邊跨系桿與通長系桿組合方案為合理布置方案.

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Analysis on the Tied-bar Composite Displacement of Multi-span and Half-through Tied Bar Arch Bridge

PENG Guihan1,2)ZHU Chengjian1)LIN Wei1)

(CivilEngineeringCollege,FuzhouUniversity,Fuzhou350108,China)1)(SustainableandInnovativeBridge,EngineeringResearchCenterofFujianProvince,Fuzhou350002,China)2)

The Yuxingui Bridge is chosen as an example. By using the finite element method, the effects of the through tied bar and the single span tied bar on the structural characteristics are analyzed and the reasonable tied bar displacement scheme is discussed. The results show that the side-span tied bar can reduce the negative moment of the arch springing region, and improve the mechanical behavior of the structure of the triangle rigid region. The middle-span tied bar raises the negative moment of the arch springing and causes the negative effect to the main arch rib. The function of the through tied bar is the same as the side-span tied bar, but its effect is less than that of the side-span tied bar. Finally, the displacement of tied bar which is composed of the side-span tied bar and the through tied bar is considered to be one reasonable scheme by considering the construction convenience, economy and the mechanical behavior of the structure.

tied-bar arch bridge; tied bar displace; finite element; side-span tied bar; through tied bar

2017-01-27

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51578159)、福州大學(xué)科技發(fā)展基金項(xiàng)目(2014-XQ-32)資助

U442.5

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.02.008

彭桂瀚(1975—)：男，碩士，副教授，主要研究領(lǐng)域?yàn)榻Y(jié)構(gòu)與大跨度橋梁