解文光
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本工程為老橋改建和拓建工程。老橋主橋為24 m+84+24=132 m 的雙肋中承式鋼管混凝土系桿拱橋,主橋中跨橋梁寬度為38.4 m。在改擴建工程中,老橋保留,兩側拓寬部分各新建一座橋梁。圖1、圖2 分別為橋梁立面及斷面圖。
新建橋梁主橋為單跨100 m 的獨肋下承式簡支系桿拱結構,見圖1,拱肋為鋼管混凝土,拱肋軸線為拋物線,矢跨比1/5,拱頂軸線處矢高20 m;主梁拱腳處采用混凝土結構,跨中部分采用鋼混組合結構,由鋼結構和混凝土橋面板組成;混凝土拱腳和鋼主梁通過兩個混合節(jié)點相連;吊桿標準間距為5 m(與老橋保持一致),吊桿為為平行鋼絲成品索,系桿索為環(huán)氧噴涂無粘結鋼絞線成品索;單側主橋橋面寬度為20.5 m,從外向內依次為人行道、中央分隔帶和機動車道三個部分;縱向結構體系為簡支,順橋向約束情況為:一側墩頂設置固定支座,另側墩頂設置活動支座;橫橋向約束情況為:橫橋向三個墩柱,中間墩柱為固定支座,兩側為滑動支座。
(1)道路等級:城市主干路Ⅰ級;
(2)設計行車速度:50 km/h;
(3)荷載等級:汽車:城 -A 級,人群:3.5 kPa;
(4)航道標準:三級航道 B=90 m,H=7 m,b=60 m,h=6 m,通航設計水位(20 a 一遇)2.40 m(黃海);
(5)設計車道:機動設在內側,主橋寬為8 m,按雙向兩車道設計;外側設人行道,寬度2.5 m;中間設置非機動車道,寬度6 m;
(6)橋面橫坡:單向2%;
(7)設計洪水頻率:1/100;
(8)抗震設防:地震動峰值加速度為0.05g;
(9)設計風速:按百年一遇控制,V10=28.6 m;
(10)道路豎曲線參數(shù):縱坡 3%,豎曲線半徑1 800 m。
(1)主梁一期恒載計算:標準梁段鋼結構重量等于66.75 kN/m,混凝土板136.55 kN/m;結合梁段鋼結構重量116.76 kN/m;混凝土板136.55 kN/m。
(2)二期恒載。包括護欄、人行道、瀝青荷載合計105.953 kN/m。
(3)吊桿初始張拉力。吊桿分兩次張拉,拱肋安裝完成后進行第一次張拉,張拉力等于5 m 鋼梁段的總重量。橋面鋪裝完成后進行第二次張拉,張拉力等于5 m 梁段的總重量。
(4)系桿索張拉力。
(5)預應力。邊混凝土主梁的預應力筋張拉預應力為1 395 MPa。
(6)收縮徐變。按相關公路橋涵設計規(guī)范執(zhí)行。
圖1 橋梁立面圖(灰色為老橋)(單位:cm)
圖2 橋梁斷面圖(單位:cm)
汽車荷載采用城—A 級;人群荷載:人群集度3.5 kN/m2。
整體升降溫。全橋結構±30℃。
體系溫差。吊桿溫差±15℃。
日照溫差??紤]升溫和降溫兩種情況。4 主要構件材料
鋼材:Q345 鋼材(GB03)
混凝土:C50(JTG04)
拱肋內混凝土:C40(JTG04)
本工程橋梁施工采用浮拖施工,水中搭設臨時支架,中間預留通航空。只在浮拖施工時臨時斷航,其它時間段均維持航道正常運行,對航道的影響非常有限。由于篇幅所限,靜力分析僅給出成橋階段組合三(恒載+活載+溫度)的應力結果。
主橋上部結構的縱向平面靜力計算是采用橋梁博士計算程序。拱肋和主梁采用組合結構進行模擬,拱腳主梁采用混凝土構件進行模擬,吊桿和系桿采用拉索單元進行模擬,邊界條件采用左端拱腳處豎向、順橋向均約束,右端拱腳處僅為豎向約束[2]。主橋的有限元計算模型見圖3、圖4。
圖3 主橋有限元計算模型
圖4 主橋三維計算模型圖5 拱肋及主梁鋼結構應力
在組合三(恒+ 活+ 溫)下,拱肋及主梁鋼結構的最大拉壓應力分別為133.6 MPa 和-107.9 MPa.滿足規(guī)范要求(見圖5、圖6)。
在混凝土主梁及拱肋的最大壓應力為11.9 MPa,沒有出現(xiàn)拉應力,見圖7。
混凝土橋面板的最大壓應力為5.5 MPa,最大拉應力為5.4 MPa;拱肋邊箱混凝土的最大壓應力為7.9 MPa,最大拉應力為1.6 MPa;拱肋中箱混凝土的最大壓應力為7.9 MPa,最大拉應力為2.8 MPa;吊桿的最大拉應力為548 MPa,應力幅為114 MPa,安全系數(shù)滿足大于3 的要求;系桿的最大拉應力為 1 094.7 MPa,為系桿的標準強度1 860 MPa 的0.588 倍。正應力滿足規(guī)范的要求。
圖5 拱肋及主梁鋼結構應力
圖6 混凝土主梁應力
圖7 主梁混凝土橋面板及拱肋混凝土應力
混凝土主梁的最大壓應力小于12 MPa,最大拉應力為0.6 MPa,鋼結構部分最大的剪應力小于30 MPa,均滿足規(guī)范要求。
由于主梁為鋼混結合梁,本模型采用MIDAS(Civil 2006(V7.4.1 No.1))的施工聯(lián)合截面模型縱橫梁,考慮主梁截面隨施工過程的變化即先架設主梁鋼結構,然后鋪設混凝土橋面板,以及混凝土橋面形成剛度,與鋼梁結合共同抵抗荷載作用[3]。采用變截面模擬混凝土拱肋和混凝土主梁的變截面結構形式,吊桿系桿均用只受拉桁架單元進行模擬,且系桿由四個單元連接而成[4],考慮系桿的高度變化。計算模型見圖8。
圖8 Mida s 橋梁 3D 模型
在成橋階段中,組合一荷載作用下:混凝土主梁及拱肋的上緣最大壓應力為9.171 MPa,下緣最大壓應力為9.825 MPa,上下緣均不出現(xiàn)拉應力。在組合二下:上緣壓應力處于9.090 MPa 到9.582 MPa 之間,下緣壓應力處于9.258 MPa 到10.231 MPa 之間,上下緣均不出現(xiàn)拉應力;在組合三下:上緣壓應力處于8.667 MPa 到13.135 MPa 之間,下緣壓應力處于8.219 MPa 到10.824 MPa 之間,上下緣均不出現(xiàn)拉應力。
混凝土端橫梁的上緣壓應力處于4.946 MPa到7.543 MPa 之間,下緣壓應力處于2.965 MPa 到3.159 MPa 之間,下緣出現(xiàn)的最大拉應力為1.334 MPa,上緣出現(xiàn)的最大拉應力為0.864 MPa。均滿足規(guī)范A類構件的要求。
混凝土普通橫梁在成橋階段組合三荷載作用下:上緣壓應力處于3.18 MPa 到4.95 MPa 之間,下緣壓應力處于2.58 MPa 到3.6 MPa 之間,上緣未出現(xiàn)拉應力,下緣出現(xiàn)的最大拉應力為0.86 MPa。該橫梁雖然沒有配置預應力,但是在最不利荷載用下不會開裂。滿足規(guī)范要求[5]。
由于縱梁單元數(shù)量眾多,在此選中間縱梁的應力結果。鋼縱梁、混凝土橋面板、鋼拱肋及拱肋混凝土主要內力結果如下:
中間縱梁鋼結構:在組合一(恒)下,最大壓應力為41.3 MPa,最大拉應力為62.8 MPa;在組合二(恒+活)下,最大壓應力為43.0 MPa,最大拉應力為77.7 MPa;在組合三(恒+活+溫)下,最大壓應力為43.8 MPa,最大拉應力為83.6 MPa。
縱梁混凝土橋面板:在組合一(恒)下,最大壓應力為0.36 MPa,最大拉應力為4.25 MPa;在組合二(恒+ 活)下,最大壓應力為0.15 MPa,最大拉應力為4.89 Pa;在組合三(恒 + 活 + 溫)下,最大壓應力為4.16 MPa,最大拉應力為6.03 MPa。
拱肋鋼結構:在組合一(恒)下,最大壓應力為80 MPa,最大拉應力為33.1 MPa;在組合二(恒+活)下,最大壓應力為86.8 MPa,無拉應力;在組合三(恒+活+溫)下,最大壓應力為87.6 MPa,無拉應力。
拱肋混凝土:在組合一(恒)下,最大壓應力為7.24 MPa,不出現(xiàn)拉應力;在組合二(恒 + 活)下,最大壓應力為7.93 MPa,不出現(xiàn)拉應力;在組合三(恒+活+溫)下,最大壓應力為8.25 MPa,不出現(xiàn)拉應力。
采用與空間計算相同的模型,計算一類彈性穩(wěn)定。
本橋計算采用第一類線彈性穩(wěn)定計算方法,計算方程為:
穩(wěn)定問題轉化為求方程的最小特征值問題。
計算模型與靜力計算模型相同,計算采用MIDAS軟件。
在工程實際中只有第一階失穩(wěn)模態(tài)有意義,因此,僅給出各工況組合第一階失穩(wěn)模態(tài)。計算結果表明,成橋階段最小穩(wěn)定安全系數(shù)為31.390,大于3~4 的規(guī)范允許值,滿足規(guī)范要求。圖9~圖11 列出了表1 所示各工況組合第一階失穩(wěn)模態(tài)。
圖9 荷載組合工況1(K=31.390)
圖10 荷載組合工況2(K=127.600)
圖11 荷載組合工況3(K=341.400)
表1 荷載組合工況表
空間有限元分析結果表明,50 %的荷載(2 040 kN)通過拱座傳至位于拱座正下方的中間支座,而另外50%荷載由端橫梁傳遞至兩個邊支座。端橫梁內力分析計算見圖12、圖13,組合I、II 下內力包絡圖見圖14~圖16。
圖12 計算簡圖
圖13 計算模型圖
圖14 正常使用組合II(短期效應組合)上下緣應力包絡圖
圖15 正常使用組合III(長期效應組合)上下緣應力包絡圖
圖16 正常使用組合II(短期效應組合)上下緣主應力包絡圖
端橫梁選用橋梁博士V3.1 進行受力分析。計算模型見圖13,共102 個單元,支座位置為實際支座布置處。計算采用kN,m 制,應力單位為MPa。
作用基本組合和作用短期、長期效應組合按照《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60—2004)取。應力以壓力“+”,以拉為“-”,單位為 MPa。
按規(guī)范JTG D62—2004 第6.3.1 條規(guī)定,在短期效應組合下,拉應力小于0.7 ftk,且在長期效應組合下,不出現(xiàn)拉應力。在短期效應組合下,主拉應力小于0.5 ftk[6]。
本橋預應力混凝土端橫梁滿足A 類預應力混凝土構件的規(guī)范要求。
通過對全橋進行了全面的靜力和穩(wěn)定,上部和下部的計算后,得到如下結論:
(1)對于全橋構件基本采用了平面和空間兩種計算途徑,平面和空間計算的變形比較一致(空間略大分別為14.5 cm 和17 cm),由于結構橫向不對稱造成的結構橫向變形差異較小。在施工過程中設置預拱度時應力應結合平面和空間計算,有施工監(jiān)控最終確定。
(2)所有構件均可滿足規(guī)范要求,結構安全可靠。
(3)和混合接頭緊鄰小縱梁對端吊桿橫梁的受力影響較大,因為本橋的主梁將要承受拉力,而小縱梁中的拉力會造成端部吊桿橫梁的懸臂側彎,橫梁受力不利,建議在澆筑該處后澆橋面板混凝土前(須完成其它所有后澆接縫混凝土后)再焊接該小縱梁。