鋼管混凝土桁架橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雒建哲

摘 要：以某鋼管混凝土桁架橋?yàn)檠芯繉?duì)象，通過(guò)建立有限元模型，對(duì)該橋進(jìn)行了頂推施工階段、成橋階段承載力及結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行計(jì)算分析，得出如下結(jié)論：鋼管混凝土桁架橋采用頂推施工方案能滿(mǎn)足受力要求，且施工階段應(yīng)力儲(chǔ)備較富余，但由于單片頂推，施工時(shí)桁架面外需增加臨時(shí)支撐來(lái)保證。鋼管混凝土上下弦桿，能充分發(fā)揮組合材料的優(yōu)越性，受力明確，結(jié)構(gòu)合理，造型美觀。結(jié)論為同類(lèi)橋梁的設(shè)計(jì)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：桁架橋 鋼管混凝土 外懸臂 頂推施工 承載力 動(dòng)力特性

1.工程概況

某橋?yàn)榭缣m青鐵路而設(shè)，采用主跨70m鋼桁架簡(jiǎn)支梁一跨跨越現(xiàn)有蘭青鐵路，橋頭兩側(cè)設(shè)20m跨引橋，由于該橋位于城區(qū)出入口處，橋梁下弦桿兩側(cè)懸挑2.25m人行道便于行人通行。該橋立面布置三角形腹桿桁架體系，兩片桁架布置，跨徑70m，橋面寬12m，桁高5m，桁高與跨徑之比為1/14，一跨桁架共8個(gè)節(jié)間，每節(jié)間長(zhǎng)度為8m。主桁上弦桿采用直徑1000mm的圓形鋼管混凝土斷面；下弦桿采用900×900mm PBL加勁型矩形鋼管混凝土斷面；腹桿采用直徑700mm、630mm的鋼管斷面。橋面板采用混凝土橋面板，縱、橫向分塊預(yù)制。外伸人行道懸臂梁采用T型截面，懸臂梁高200～450mm，人行道橋面板采用正交異形鋼橋面板。主桁桿件均采用Q390E鋼材，上下弦桿均灌注C50微膨脹混凝土。

采用單片桁架頂推施工方案（前導(dǎo)梁斷面采用下弦鋼箱斷面，長(zhǎng)17m），具體施工步驟如下：

（1）在小樁號(hào)一側(cè)設(shè)置支架，拼裝主桁（主桁分段在工廠完成預(yù)制）和前導(dǎo)梁；（2）安裝頂推設(shè)備，兩片鋼桁架各自向前頂推24m，兩片桁架共同達(dá)到最大懸臂狀態(tài)；（3）前導(dǎo)梁到達(dá)對(duì)岸臨時(shí)支撐；（4）兩片鋼桁架各自向前頂推16m，桁架前端到達(dá)對(duì)岸臨時(shí)支撐；（5）繼續(xù)頂推桁架到設(shè)計(jì)位置，完成頂推并拆除導(dǎo)梁；（6）連接橫梁及人行道懸臂縱梁；（7）灌注上、下弦桿及端橫梁混凝土；（8）待管內(nèi)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，拆除臨時(shí)支撐；（9）架設(shè)預(yù)制橋面板，澆筑橋面板濕接縫，安裝人行道外懸臂橋面板；（10）敷設(shè)瀝青混凝土，完成泄水管、防撞護(hù)欄、伸縮縫等施工。分析時(shí)，考慮施工階段聯(lián)合截面，在上一施工步驟完成鋼管與管內(nèi)混凝土的疊合。

2.計(jì)算模型

采用Midas Civil 2015建立橋梁計(jì)算模型，其中上、下弦桿及腹桿、橫梁采用梁?jiǎn)卧M，橫梁與下弦桿之間采用彈性連接中的剛性連接模擬，鋼管混凝土構(gòu)件考慮施工階段聯(lián)合截面；混凝土橋面板采用板單元模擬；支座采用一般支承模擬，結(jié)構(gòu)有限元模型見(jiàn)圖1。

3.靜力分析

3.1施工階段受力計(jì)算（見(jiàn)表1）

在完成橋面鋪裝施工后，鋼桁梁各構(gòu)件受力達(dá)到最大值。其中，上弦桿內(nèi)混凝土組合應(yīng)力最大值（受壓）為15.1MPa

3.2結(jié)構(gòu)承載能力計(jì)算

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行成橋后的承載能力極限狀態(tài)分析，取結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.1，荷載組合考慮基本組合：1.2恒荷載+1.0收縮、徐變+1.4汽車(chē)荷載+0.75（1.1風(fēng)荷載+1.4溫度荷載）。詳細(xì)結(jié)果如下所示：

（1）上弦桿應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。在承載能力極限狀態(tài)基本組合作用下，上弦桿鋼管組合應(yīng)力最大值為221.0MPa

（2）上弦桿偏心受壓承載力驗(yàn)算。上弦桿承載力驗(yàn)算依據(jù)《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/ T D65-06-2015）中，鋼管混凝土偏心受壓構(gòu)件承載力相關(guān)計(jì)算方法進(jìn)行：上弦桿中部：γN=2.75×104kN<3.24×104kN；上弦桿端部：γN=1.00×104kN<2.75×104kN；

（3）上弦桿抗剪承載力驗(yàn)算。上弦桿中部：γ0V=2356.5kN<15.37×103kN；上弦桿端部：γ0V=7352.1kN<12.58×103kN。

（4）下弦桿應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。在承載能力極限狀態(tài)基本組合作用下，下弦桿鋼管組合應(yīng)力最大值為181.8MPa

（5）下弦桿承載力驗(yàn)算。依據(jù)《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS 159-2004）中相關(guān)規(guī)定，驗(yàn)算下弦桿承載能力：下弦桿中部：Mun=1.11372×104kN/m；下弦桿端部：Mun=9.84501×103kN/m。

通過(guò)提取有限元模型計(jì)算結(jié)果，可以得出：下弦桿中部軸力最大值為21282.7kN，同一單元繞Y軸彎矩為2815.0kN·m；下弦桿端部軸力最大值為4504.5kN，同一單元繞Y軸彎矩為1227.1kN·m；則，下弦桿承載力驗(yàn)算如下：

下弦桿中部：N/fAsu+M/Mun=0.944<1；下弦桿端部：N/fAsu+M/Mun=0.293<1。

（6）腹桿應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。承載能力極限狀態(tài)基本組合作用下，腹桿的最大拉應(yīng)力為246.3MPa，所在單元位置為梁端第二根腹桿處；最大壓應(yīng)力為246.7MPa，發(fā)生在梁端第一根腹桿處；以上應(yīng)力值均小于fd=295MPa，計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足要求。

（7）動(dòng)力特性。由計(jì)算得第一至第四階頻率分別為1.9226、2.3797、2.6969、2.7423，圖2中，前兩階振型分別為縱橋向?qū)ΨQ(chēng)豎彎和橫橋型反對(duì)稱(chēng)豎彎，第三、四階振型均為人行道局部對(duì)稱(chēng)豎彎，這是由于下弦桿外懸臂人行道造成的，且三、四階自振頻率很接近前二階整體豎彎頻率，對(duì)結(jié)構(gòu)較為不利。

4.結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，鋼管混凝土桁架橋采用頂推施工方案能滿(mǎn)足受力要求，且施工階段應(yīng)力儲(chǔ)備較富余，但由于單片頂推，施工時(shí)桁架面外需增加臨時(shí)支撐來(lái)保證性。本橋下弦桿外伸懸臂人行道，增加了上弦桿及腹桿應(yīng)力，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)上弦桿及腹桿。外懸臂人行道部分對(duì)結(jié)構(gòu)的自振也產(chǎn)生不利影響，設(shè)計(jì)時(shí)需采取措施減小振動(dòng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳志明，王賢強(qiáng)，張建東，等.大跨徑簡(jiǎn)支鋼桁架橋頂推架設(shè)施工技術(shù)[J].施工技術(shù)，2018（S4）：643-646.

[2]蔡宏偉.鋼桁架橋靜力及動(dòng)力特性探討[J].山西交通科技，2012（02）： 27-29.