鋼筋混凝土箱形無鉸拱拱軸線與拱上建筑優(yōu)化研究

江浩偉，朱華棟

(1.長沙理工大學土木與建筑學院，湖南 長沙 410114；2.貴州順康路橋咨詢有限公司，貴州 貴陽 550000)

鋼筋混凝土箱形無鉸拱拱軸線與拱上建筑優(yōu)化研究

江浩偉1，朱華棟2

(1.長沙理工大學土木與建筑學院，湖南 長沙 410114；2.貴州順康路橋咨詢有限公司，貴州 貴陽 550000)

以240 m跨的斜拉懸澆拱橋貴州沙坨特大橋為工程背景，采用簡支T梁和全橋不分聯(lián)鋼-混組合梁并根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定拱軸系數(shù)并優(yōu)化后進行有限元靜力計算，分析拱上建筑輕型化與拱軸系數(shù)對橋梁結(jié)構(gòu)的靜力的影響，優(yōu)化拱圏內(nèi)力，向超大跨徑發(fā)展提供一個有效途徑。

拱軸線；拱軸系數(shù)；鋼筋混凝土拱橋；拱上建筑；輕型化

1 工程背景

沙坨特大橋位于貴州沿河縣，設(shè)計荷載為公路-Ⅰ級，橋面凈寬為：2.25 m(人行道)+0.5 m(路緣帶)+2×3.5 m(車行道)+0.5 m(雙黃線)×2，總寬20 m。橋梁采用上承式混凝土箱拱，計算跨徑242.7 m，計算矢高40.45 m，矢跨比1/6，懸鏈線拱軸系數(shù)m=1.85。拱上立柱設(shè)置18對，主梁共設(shè)置19孔13.2 m預應(yīng)力混凝土空心板，分為四聯(lián)，每聯(lián)均采用橋面連續(xù)，采用C50混凝土。

2 試設(shè)計方案

2.1 立柱

立柱縱橋向間距28 m，(1)8#立柱截面尺寸(1.5 m×1.2 m)×2根；(2)7#立柱截面尺寸(1.4 m×1.2 m)×2根；(3)6#立柱截面尺寸(1.2 m×1.2 m)×2根；(4)5#號立柱采用原設(shè)計立墻尺寸。梁采用T梁和鋼混組合梁兩種。

2.2 T梁

主梁采用10片跨徑28 m的預應(yīng)力混凝土簡支T梁，梁高1.8 m，間距2 m，每4.5 m設(shè)置一道厚0.3 m橫隔板，采用C50混凝土。

2.3 鋼-混組合梁

采用單跨28 m無板托的等截面工字鋼-混凝土組合連續(xù)梁結(jié)構(gòu)形式，全跨不分聯(lián)，每跨設(shè)置10片梁。每片組合梁混凝土頂板厚12 cm，鋼腹板高130 cm，厚3 cm。為防止鋼梁失穩(wěn)，每隔每4.5 m設(shè)置一道厚3 cm豎向加勁肋。其鋼材和混凝土分別采用Q345和C50。

3 拱軸系數(shù)的選取

在設(shè)計空腹式拱橋時，空腹式鋼筋混凝土拱橋常用懸鏈線為拱軸線。本文采用“五點重合法”和基于APDL的拱軸系數(shù)的優(yōu)化兩種方法確定拱軸系數(shù)。

(1)“五點重合法”。

(2)基于APDL的拱軸系數(shù)的優(yōu)化。

一種采用彎曲能量原理法來優(yōu)化鋼筋混凝土箱形拱橋拱軸系數(shù)的方法，以需要優(yōu)化的拱軸系數(shù)作為設(shè)計變量，同時指定其上下限，懸鏈線拱的拱軸系數(shù)的合理取值范圍一般為1.167～2.814，以拱圏的最大應(yīng)力和最小應(yīng)力為狀態(tài)變量，以彎曲應(yīng)變能為目標函數(shù)來進行求解，T梁和鋼-混組合梁方案拱軸系數(shù)m計算結(jié)果分別為1.736和1.748。

(3)另選取拱橋常用拱軸系數(shù)1.988方案進行結(jié)果對比分析。

4 靜力分析

4.1 有限元分析

采用大型通用有限元軟件Midas Civil對各設(shè)計方案進行建模。其中拱圈、拱上立柱和橋道系采用梁單元進行模擬，橋道系與蓋梁之間采用彈簧連接，蓋梁與拱上立柱之問及拱上立柱與拱圈之間采用剛臂連接。

4.2 結(jié)構(gòu)靜力分析

結(jié)合試設(shè)計方案拱上建筑結(jié)構(gòu)自重的統(tǒng)計，對各方案在承載能力極限狀態(tài)下拱圈內(nèi)力和撓度最大值進行計算，以此來評價試設(shè)計方案受力的合理性。與原設(shè)計相比，T梁和組合梁占橋總自重的比例由47%降為34%和29%。拱圏的最大正(負)彎矩、最大軸力、最大組合應(yīng)力、最大撓度分別比原設(shè)計小29.2%(35.4%)、28.1%、28.9%、17.3%。

T梁和鋼混梁拱軸系數(shù)優(yōu)化后方案，拱圏的最大正(負)彎矩、最大軸力、最大組合應(yīng)力、最大撓度分別比原設(shè)計小32.4%(38.4%)、28.4%、30.4%、19.1%，可知此方案最優(yōu)。

5 結(jié) 論

(1) 采用T梁和鋼混組合梁替換原設(shè)計的板結(jié)構(gòu)梁，使得拱上建筑的自重大幅度減小。靜力計算結(jié)果與原設(shè)計方案相比，鋼混組合梁拱圏的最大正(負)彎矩、最大軸力、最大組合應(yīng)力、最大撓度比原設(shè)計小23.6%(25.5%)、27.6%、28.9%、13.9%。

圖1 優(yōu)化拱軸系數(shù)方案靜力計算結(jié)果與原方案結(jié)果比值圖

(2) 在根據(jù)拱上建筑輕型化的方案計算拱軸系數(shù)，對比不同拱軸系數(shù)靜力計算結(jié)果，其結(jié)果比只對拱上建筑輕型化方案更優(yōu)。

(3) 拱上建筑不變，拱軸系數(shù)的變化對軸力影響較小，基本處于同一水平。

[1] 卓小麗.懸拼鋼筋混凝土箱拱合理施工索力與拱軸線的優(yōu)化研究[D].長沙理工大學，2015.

[2] 黃卿維，陳寶春等.混凝土拱橋拱上建筑輕型化研究[J].土木工程與管理學報，2012，29(1)，5-9.

[3] 邵旭東.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社,2004.

2017-03-14

江浩偉(1992-)，男，湖南常德人，碩士研究生，研究方向：橋梁結(jié)構(gòu)分析與施工控制。

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