下承式拱梁組合橋結(jié)構(gòu)靜力性能研究

冉磊

摘要：以西安市東長(zhǎng)安街橋?yàn)槔?，采用SAP2000有限元程序，對(duì)下承式拱梁組合橋的進(jìn)行了靜力特性收縮徐變分析以及預(yù)應(yīng)力的影響，得出如下結(jié)論：隨著施工階段的推移，收縮徐變使得鋼管拱截面壓應(yīng)力變化逐漸增大;另外預(yù)應(yīng)力對(duì)橋的撓度影響很大，施加預(yù)應(yīng)力后，跨中截面向上拱起，它對(duì)橋梁的預(yù)拱度貢獻(xiàn)很大。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土;有限元方法;結(jié)構(gòu)性能;收縮徐變;預(yù)應(yīng)力

Research on the Structural Performance of Half-through Arch Beams Combined System Bridge

Ran? Lei

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)的橋梁事業(yè)也得到了迅猛的發(fā)展。拱橋是一種理想的能充分發(fā)揮材料受壓性能的橋型。以往由于大跨度拱橋施工所需拱架費(fèi)用極高，因而限制了大跨度拱橋的發(fā)展;同時(shí)由于大跨度拱橋產(chǎn)生的水平推力極大，所以往往作為跨越山澗峽谷的橋型，依賴山體來(lái)承受拱推力。隨著鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，解決了大跨度拱橋所需拱架問(wèn)題，使國(guó)內(nèi)大跨度拱橋的興建日益增多。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從1990年到1994年間，已建和在建的鋼管混凝土拱橋達(dá)20多座，到1997年達(dá)40多座，到1998年則已達(dá)到60多座，到2000年已達(dá)到120多座，其發(fā)展速度之快，為中外建橋史所罕見。

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是將混凝土灌注鋼管內(nèi)而形成的一種組合結(jié)構(gòu)。它的基本原理是利用鋼管對(duì)混凝土的緊箍作用，使得混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而使核心混凝土具有更高的抗壓承載力和塑性變形能力。

充分顯示了鋼管混凝土拱橋的生命力。基于這樣的背景，本文以西安航天西路跨東長(zhǎng)安街橋（下承式拱梁組合橋）為研究對(duì)象，利用有限元分析軟件SAP2000建立全橋空間模型對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能分析，對(duì)大跨徑鋼管混凝土拱橋的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行研究分析，所得結(jié)果可對(duì)該類拱橋的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

航天西路長(zhǎng)安街橋位于西安市長(zhǎng)安區(qū)航天西路與東長(zhǎng)安街交匯處，航天西路上跨長(zhǎng)安街橋。橋梁按斜角正做設(shè)計(jì)，全橋跨徑布置為15m+60m+15m三跨下承式組合體系鋼桁架拱橋，全長(zhǎng)94.2m。上弦桿（矢高13.5米，計(jì)算跨徑90米）矢跨比f(wàn)=1/6.52，下弦桿（矢高12米，計(jì)算跨徑60米）矢跨比f(wàn)=1/5。主拱上、下弦桿均采用1000×14㎜鋼管卷制，鋼材料為Q345D，管內(nèi)灌注C50自密微膨脹混凝土;腹桿采用Ф500×14㎜、Ф500×10㎜ 的鋼管;橫撐為Ф600×10㎜、Ф300×12㎜鋼管，鋼材料為Q345D。系桿采用C50混凝土剛性變截面加勁系梁，斷面尺寸在橋墩處為2.0×2.5m，在拱跨吊桿間為2.0×1.8m，在每片系梁內(nèi)布置12束預(yù)應(yīng)力鋼束，兩端對(duì)稱張拉。橫梁采用C50預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁，與加勁系桿實(shí)現(xiàn)剛接，吊桿處橫梁為箱型斷面，寬1.2m，高1.2～1.32m，每道橫梁內(nèi)設(shè)4束預(yù)應(yīng)力鋼束;橋墩處橫梁為箱型斷面，寬3.5m，高1.96～2.08m，每道橫梁內(nèi)設(shè)6束預(yù)應(yīng)力鋼束;橋臺(tái)處端橫梁為組合箱型斷面，寬2.5m，高1.2～1.32m，每道橫梁內(nèi)設(shè)7束預(yù)應(yīng)力鋼束。吊桿拉索采用PESFD7—91、PESFD7—109鍍鋅平行高強(qiáng)鋼絲束，主孔配置11對(duì)吊桿，間距5.0m，拱肋上弦管為錨固端，橫梁底部為張拉端，設(shè)計(jì)考慮分兩次張拉。橋面板采用C50混凝土二次現(xiàn)澆，板厚為0.28米。橋墩采用2.0×3.0米的矩形橋墩。圖1為航天西路長(zhǎng)安街橋。

2 有限元模型

全橋采用空間有限元程序SAP2000進(jìn)行建模分析。鋼管拱拱肋采用梁?jiǎn)卧?混凝土組合截面，腹桿、風(fēng)撐采用梁?jiǎn)卧摴芙孛?，系桿、橫梁采用梁?jiǎn)卧炷两孛?，吊桿采用只受拉索單元，橋面板采用梁格法建模。

本文在SAP2000建立有限元模型時(shí)，采用等效法的換算截面法來(lái)模擬鋼管混凝土拱肋，將鋼管的面積按抗壓剛度等效的原則換算成混凝土面積;預(yù)應(yīng)力筋模擬成單元以考慮彈性縮短或時(shí)間延遲影響所帶來(lái)的預(yù)應(yīng)力損失，比較有效地模擬了實(shí)際工程中預(yù)應(yīng)力鋼筋的預(yù)應(yīng)力損失問(wèn)題。圖2為SAP2000全橋計(jì)算模型。

3 靜力計(jì)算分析

由于施工工程對(duì)結(jié)構(gòu)分析有著很重要的影響，對(duì)此將航天西路長(zhǎng)安街橋工況計(jì)算劃分為以下步驟。澆筑橋墩、橋臺(tái)并搭建臨時(shí)支架，系桿、橫梁施工，張拉系桿1、2號(hào)預(yù)應(yīng)力鋼束，對(duì)稱拼裝拱腳處拱肋，對(duì)稱拼裝拱腳至1/3拱肋，搭設(shè)拱肋拼裝支架，對(duì)稱拼裝2/3段拱肋，搭設(shè)拱肋拼裝支架，拼裝中間段拱肋，搭設(shè)拱肋拼裝支架，張拉系預(yù)應(yīng)力鋼束，張拉各橫梁預(yù)應(yīng)力鋼束，拆除拱肋支架，對(duì)稱灌注下、上拱圈鋼管微膨脹混凝土、澆筑橋面板混凝土、施加橋面板荷載、安裝吊桿并初次張拉、拆除滿堂支架、施加二期恒載、調(diào)整吊桿張拉力至目標(biāo)索力、成橋一個(gè)月、成橋一年。

3.1凝土收縮和徐變對(duì)橋的內(nèi)力影響

通過(guò)模擬分析上、下拱圈不考慮混凝土收縮徐變和考慮收縮徐變鋼管應(yīng)力變化。灌注拱圈混凝土開始于第11階段對(duì)稱灌注下拱圈鋼管微膨脹混凝土，以施工階段的編號(hào)為橫向坐標(biāo)，以其隨施工階段變化的考慮收縮徐變的應(yīng)力和未考慮收縮徐變的應(yīng)力為縱向坐標(biāo)，作圖3、4如下：

由結(jié)果可以看出，隨著施工階段的推移，鋼管應(yīng)力變化逐漸增大，收縮徐變使得鋼管拱截面壓應(yīng)力有增大的趨勢(shì)。另外對(duì)吊桿的豎向位移影響也不小，影響最大的跨中吊桿的吊點(diǎn)位移由原來(lái)的向下1.16cm增加到1.34cm，增大了15%（作圖5所示），對(duì)本橋梁結(jié)構(gòu)的影響比較大，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)予以重視。

3.2預(yù)應(yīng)力對(duì)橋的內(nèi)力影響

對(duì)于預(yù)應(yīng)力下承式拱梁組合橋，預(yù)應(yīng)力的施加，使得內(nèi)支座區(qū)域處于受拉的混凝土板預(yù)先受壓，改善了結(jié)構(gòu)性能。本工程系梁和橫梁都設(shè)有預(yù)應(yīng)力鋼束，圖6給出了預(yù)應(yīng)力張拉前后系梁撓度變化曲線，可以看出，施加預(yù)應(yīng)力后，跨中截面向上拱起，向上拱起了6mm。由此可以得出預(yù)應(yīng)力作用明顯提高了正彎矩區(qū)的承載力和負(fù)彎矩區(qū)混凝土板的開裂荷載，延緩了裂縫的出現(xiàn)，所以全橋施加預(yù)應(yīng)力是很有必要的。

4 結(jié)語(yǔ)

從以上計(jì)算分析可以得出以下結(jié)論：

1）隨著施工階段的推移，鋼管應(yīng)力變化逐漸增大，收縮徐變使得鋼管拱截面壓應(yīng)力有增大的趨勢(shì)。另外對(duì)吊桿的豎向位移影響也不小，影響最大的跨中吊桿的吊點(diǎn)位移由原來(lái)的向下1.16cm增加到1.34cm，增大了15%。同時(shí)，在拆除滿堂支架時(shí)拱肋應(yīng)力增加了10%之多。混凝土收縮徐變對(duì)本橋梁結(jié)構(gòu)的影響比較大，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)予以重視。

2）預(yù)應(yīng)力對(duì)下承式拱梁組合橋的撓度影響很大，施加預(yù)應(yīng)力后，跨中截面向上拱起了6mm，它對(duì)橋梁的預(yù)拱度貢獻(xiàn)很大。預(yù)應(yīng)力的施加使墩頂處的橋面板產(chǎn)生了有效的預(yù)壓應(yīng)力，在跨中產(chǎn)生了預(yù)拉應(yīng)力;同時(shí)，在跨中也產(chǎn)生了明顯的上拱，這一點(diǎn)正好與橋梁豎向荷載作用的效應(yīng)是相反的，由此可以得出預(yù)應(yīng)力作用明顯提高了正彎矩區(qū)的承載力和負(fù)彎矩區(qū)混凝土板的開裂荷載，延緩了裂縫的出現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：1.陜西建工第二建設(shè)集團(tuán)有限公司）