鋼箱剛架系桿拱橋拱腳鋼混結(jié)合段構(gòu)造設(shè)計研究

劉蕾蕾，余 強，邱 毅，王 東

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司，成都 610041)

鋼箱拱橋具有外觀優(yōu)美、承載潛力大等優(yōu)點，在景觀功能需求較高的城市橋梁中應用越來越多[1]；同時鋼箱混凝土結(jié)構(gòu)因其優(yōu)越的力學性能和美觀效果，在工業(yè)與民用建筑中應用廣泛[2-3]，但鋼箱拱橋拱腳與拱座的鋼混凝土結(jié)合部位受力復雜，如何把鋼箱拱的內(nèi)力可靠地傳遞給基礎(chǔ)是設(shè)計和施工需要著重考慮的問題。為此，本文重點以廣雅大橋為例探討鋼箱混凝土結(jié)構(gòu)在鋼箱拱中的應用，以供類似工程參考。

1 工程概況

柳州廣雅大橋位于柳州市中心城區(qū)，橋梁總體布置如圖1所示。大橋主橋長546 m，孔跨布置為63 m+2×210 m+63 m，橋梁總寬36 m；主拱計算跨徑203.282 m，凈跨徑200 m，凈矢高50 m，凈矢跨比1/4，拱軸系數(shù)1.6，拱肋拱頂截面徑向高2.5 m，拱腳截面徑向高4.5 m，截面高度按1.5次拋物線的變化規(guī)律沿水平方向從拱腳的4.5 m漸變至拱頂?shù)?.5 m；拱肋寬2.5 m。

單位：m

大橋采用雙孔中承式結(jié)構(gòu)，在飛燕式拱橋的基礎(chǔ)上增設(shè)了副拱，體現(xiàn)了整座大橋空靈剔透、輕盈優(yōu)美的選型特點，具有獨特的結(jié)構(gòu)和審美特色，如圖2所示。為解決穩(wěn)定問題，橋面結(jié)構(gòu)未采用漂浮體系，而是將主拱圈與橋面結(jié)構(gòu)進行固結(jié)以提高其整體剛度，并設(shè)置2道伸縮縫以釋放巨大的溫度力，主拱、邊拱與橋面主縱梁形成一剛度較大的三角剛架，利用水平系桿平衡大部分水平推力，因此，本橋的結(jié)構(gòu)體系屬于剛架系桿拱橋。

2 鋼箱混凝土拱腳構(gòu)造

2.1 主拱與三角剛架

本橋采用剛架系桿拱橋體系，全橋共布置3個三角剛架，其斜腿部分為主跨拱圈的延續(xù)，對于兩邊的三角剛架而言，邊跨側(cè)的斜腿與主跨側(cè)斜腿呈對稱布置。斜腿截面尺寸即為鋼箱拱橋面以下部分的尺寸，與橋面梁交界處設(shè)肋間箱型橫梁，將橫向2片三角剛架連成一體，承擔整個上部結(jié)構(gòu)的恒活載并維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，如圖3所示。

單位：mm

三角剛架的存在，有效減小了鋼箱拱的跨度(本橋鋼箱拱的有效跨度由203 m變?yōu)?50 m)，增大了結(jié)構(gòu)的跨越能力，三角剛架可理解為與上部系桿拱固結(jié)的下部結(jié)構(gòu)(三角剛構(gòu)橋墩)，其優(yōu)點是抗推剛度大，施工和運營中起到抵抗邊跨、中跨不平衡內(nèi)力的作用[4-5]；較一般的拱橋具有較好的抗震及防船撞性能[6-8]。

2.2 拱腳鋼箱混凝土構(gòu)造

2.2.1 鋼箱拱拱腳常規(guī)構(gòu)造

為實現(xiàn)三角剛架所承擔的重要作用，需確保三角剛架斜腿與拱座之間的強大結(jié)合能力。其中斜腿鋼箱與拱座之間的鋼混凝土過渡處理，可參考斜拉橋或懸索橋的鋼塔與承臺之間的連接構(gòu)造，主要有螺栓錨固方式、埋入式和二者組合的形式。

1)螺栓錨固法

是將鋼箱拱拱腳節(jié)段通過其拱腳底板(承壓板)和預埋在拱座基礎(chǔ)中的大型錨固螺栓(可采用預應力鋼束)連接在一起。這種連接方式中，鋼箱拱拱腳的壓力是通過承壓板傳遞到混凝土中，而彎矩和剪力則是通過錨固螺栓進行傳遞的。這種方法的缺點是為了保證鋼混凝土連接的剛度和強度上的要求，承壓板通常需要采用很厚的鋼板(一般不小于60 mm～70 mm)，且承壓板和混凝土拱座之間必須保持密切接觸，這對于鋼索塔來說由于底部水平或接近水平，相對容易實現(xiàn)，但對拱座的斜向表面來說難度非常大。

2)埋入式法

是將鋼箱拱拱腳節(jié)段的一部分進入拱座基礎(chǔ)中，采用這種方法時，面臨的主要問題是如何使鋼箱拱的壁板和混凝土充分結(jié)合在一起，并能使拱腳內(nèi)力向拱座均勻傳遞，常用的方法是在壁板上設(shè)置剪力釘或PBL剪力鍵。埋入式的傳力機理是將鋼箱拱拱腳的內(nèi)力通過剪力釘或PBL剪力鍵與混凝土之間的附著力以混凝土傳剪的方式傳遞給基礎(chǔ)。該方法的缺點是施工時鋼板預埋在混凝土中，這會與鋼筋存在較多的沖突，另外如果鋼箱拱拱腳產(chǎn)生拉應力時，則拱腳部位混凝土可能會產(chǎn)生開裂。

3)二者組合方式

是將鋼箱拱拱腳一部分埋入拱座混凝土中，同時采用錨固螺栓解決鋼箱拱拱腳的拉應力。使用螺栓錨固+埋入式的組合可避免單純的采用螺栓錨固法或埋入式的一些弊端。

無論采用以上何種方法，都是適用于以承受軸向壓力為主的鋼混凝土連接構(gòu)造，對于本橋的三角剛架的拱腳部位壓彎組合的復雜受力狀態(tài)而言，適用性值得商榷，且都存在著鋼箱拱的薄壁鋼板向龐大的混凝土拱座基礎(chǔ)傳力均勻過渡的問題，可能存在較大的應力集中。因此需專門研究適用于本橋拱腳部位的鋼混凝土連接構(gòu)造。

2.2.2 鋼箱混凝土

鋼箱混凝土是一種組合結(jié)構(gòu)，是在矩形鋼箱中填充混凝土，依靠兩者之間鋼混凝土連接件(剪力釘或PBL剪力鍵)實現(xiàn)兩者的協(xié)調(diào)組合受力。

鋼箱混凝土組合結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點[2,9]：1)鋼箱對核心混凝土的套箍作用，能有效克服混凝土，尤其是高強混凝土的脆性，提高構(gòu)件的整體承載能力；2)內(nèi)填混凝土對鋼箱側(cè)向提供了有利的側(cè)向約束，提高了鋼箱的穩(wěn)定性；3)鋼箱混凝土的鋼材可充當混凝土施工的模板，不需額外使用模板；4)鋼箱混凝土具有良好的塑性和韌性以及耐火性能。

經(jīng)過多方對比后，本橋拱腳的鋼箱與拱座之間鋼混連接構(gòu)造選用了鋼箱混凝土，并施加預應力鋼束，故稱為預應力矩形鋼箱混凝土。

2.2.3 鋼箱混凝土拱腳連接構(gòu)造

本橋鋼箱拱與拱座所采用鋼箱混凝土的連接構(gòu)造如圖4、圖5所示。斜腿鋼箱從拱腳至最高通航水位以上2.5 m的位置灌注C50自密實微膨脹混凝土，可作為拱腳鋼箱與拱座鋼混凝土過渡全斷面承壓連接(在拱腳與拱座之間張拉預應力鋼束)的需要，同時也提高三角剛架防船撞性能。

單位：mm

(a)A-A剖面

為保證鋼箱內(nèi)混凝土的密實性，以及解決混凝土收縮的問題，拱腳節(jié)段中灌注C50自密實微膨脹混凝土時，同時張拉預應力，鋼束張拉端位于拱腳節(jié)段端部橫隔板上，錨固端位于拱座中，錨固長度3.5 m。在這種全斷面完全承壓的連接方式中，拱腳底部的壓力通過拱腳的承壓板傳遞到拱座混凝土中，鋼箱拱內(nèi)的混凝土起到擴散應力的作用，彎矩通過張拉預應力鋼束傳遞，剪力則通過焊接在承壓板上的剪力釘來傳遞。

拱腳節(jié)段全斷面設(shè)置14束預應力鋼絞線，對拱腳鋼箱混凝土提供預壓應力，以保證鋼混凝土結(jié)合段始終處于受壓狀態(tài)。鋼束穿過預埋在鋼箱拱內(nèi)的鋼管(預埋鋼管與鋼箱內(nèi)的縱向加勁肋相互焊接)，同時縱向加勁肋上開有Φ60 mm圓孔，內(nèi)穿Φ22 mm鋼筋與進入該孔的混凝土一起形成PBL剪力鍵，以保證鋼箱、混凝土及預應力束三者之間相互作用力的可靠傳遞。

在鋼混凝土結(jié)合面處，承壓板的高度、寬度均比鋼箱拱肋寬60 cm，在鋼箱拱肋四周張拉JL32精軋螺紋鋼，以保證承壓板與混凝土拱座的緊密接觸。承壓板上開有Φ100 mm圓孔，以作為拱座混凝土澆筑時的振搗孔及排氣孔。

本橋采用的預應力鋼箱混凝土構(gòu)造可同時很好地解決彎矩、軸力和剪力的傳遞，較螺栓錨固法和埋入式方法，構(gòu)造相對簡單，受力也更加可靠，預應力鋼束可解決壓彎組合的復雜受力問題，保證拱腳處于良好的受壓狀態(tài)；內(nèi)灌的10 m～11 m長的混凝土可使鋼箱拱壁板上的鋼結(jié)構(gòu)應力逐漸向其傳遞，從而使鋼箱拱內(nèi)力均勻順適地向拱座傳遞，有效減小了拱腳與拱座連接處的應力集中。充填的混凝土對鋼箱的屈曲約束作用明顯，有效地限制鋼箱變形，從而提高了鋼箱的承載力和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[10]。

鋼箱混凝土施工過程中需注意的是，鋼箱內(nèi)混凝土澆筑時由于處于流動狀態(tài)，會產(chǎn)生較大的流體壓力，如果不采取措施將會使鋼箱外側(cè)壁板出現(xiàn)過大的橫向變形，亦即脹?，F(xiàn)象。因此，本橋混凝土灌注前增設(shè)了鋼箱內(nèi)對拉鋼筋，焊接在加勁肋上，有效避免了脹模現(xiàn)象。

3 鋼混凝土結(jié)合段計算分析

鋼箱混凝土拱腳結(jié)點作為本橋設(shè)計中的一個重要關(guān)鍵部位，在施工階段和使用階段都承受著較大的內(nèi)力，特別是在運營階段由于三角剛架的效應，會產(chǎn)生較大的負彎矩，鋼混凝土連接處的拱腳部位能否一直處于受壓而不脫空的理想狀態(tài)，是鋼箱拱拱腳的鋼箱混凝土設(shè)計計算中應予以關(guān)注的重點。為此建立精確的局部有限元模型對拱腳部位進行局部受力分析，掌握其受力的分布規(guī)律和大小，以指導和優(yōu)化設(shè)計，保證拱腳鋼混凝土連接部位的設(shè)計安全可靠。

3.1 計算方法及有限元模型

本文采用混合有限元的建模方法，力求有限元建模盡可能與實際構(gòu)件相一致。計算軟件采用ANSYS10.0，共采用了實體單元、板單元和桿單元對拱腳預應力鋼箱混凝土模型進行了準確的模擬。具體技術(shù)方法為：1)利用板殼單元SHELL63模擬鋼箱拱面板、加勁肋和錨管等；2)采用三維實體單元SOLID65模擬鋼箱內(nèi)的混凝土；3)采用三維線性桿單元LINK8模擬預應力鋼束和對拉鋼筋；4)采用三維非線性只受壓和只受拉桿單元LINK10分別模擬拱座對拱腳法向的單向約束和拱腳四周的精軋螺紋鋼。

在計算過程中采用了以下的簡化原則：1)鋼箱內(nèi)混凝土與鋼箱面板通過PBL剪力鍵緊密連接，因此假定兩者變形協(xié)調(diào)一致，直接在粘結(jié)部位采用共節(jié)點的方式，即不考慮兩者之間的滑移；2)通過對LINK8桿單元施加初應變或者等效降溫模擬預應力效應，初應變或等效降溫考慮了預應力損失；3)預應力鋼束通過錨管與其錨下承壓板相連接，雖然鋼管內(nèi)灌注了砂漿，但預應力鋼束與鋼管外的混凝土粘結(jié)效應并不顯著，因此有限元分析中采用通長桿單元模擬預應力束，不考慮桿單元與周圍混凝土之間的粘結(jié)效應，桿單元一側(cè)節(jié)點與預應力鋼束的錨下承壓板相連接，另一側(cè)即埋入拱座混凝土中的節(jié)點直接進行固結(jié)。鋼箱拱節(jié)段長度取16 m，局部有限元模型如圖6所示。

(a)模型1

通過總體計算可知，使用階段拱腳最不利受力狀態(tài)為拱腳處于最大負彎矩的工況，因此模型中的邊界力取總體模型拱腳最大負彎矩工況對應的拱腳局部有限元模型截斷邊界處的內(nèi)力值，見表1。

表1 邊界內(nèi)力值

對于邊界力的加載采用剛域的方法實現(xiàn)，即在鋼箱拱肋端部的中心部位先建立一個主節(jié)點，跟邊界處其他節(jié)點進行剛性連接,然后直接施加邊界力到主節(jié)點上。這種方法定義了局部剛性區(qū)域，在模型端部區(qū)域增加了一定的剛度，因此加載邊界處的截面應力已失真，但根據(jù)圣維南原理，由于局部模型建立了較長的拱肋節(jié)段，因此模型中距離鋼箱拱較遠的其他部位的應力結(jié)果比較真實。

3.2 計算結(jié)果分析

拱腳部位局部有限元模型應力云圖如圖7所示。

1)從圖7可知，鋼箱拱的鋼結(jié)構(gòu)部分最大Mises等效應力為123 MPa，發(fā)生在拱底，滿足規(guī)范要求。在總體模型中通過取消箱內(nèi)混凝土進行計算，可得鋼箱拱肋拱腳最大應力為195 MPa，鋼箱內(nèi)采用內(nèi)灌混凝土后應力降低達72 MPa，鋼箱拱面板上的集中力可通過其內(nèi)部混凝土傳遞一大部分至拱腳承壓板，這說明采用鋼箱混凝土構(gòu)造可有效減小鋼箱拱拱腳的應力集中，與2.2節(jié)的論述相一致。

(a)模型1

2)承壓鋼板的Mises等效應力總體較小，最大值為94.4 MPa，發(fā)生在下緣受壓側(cè)，滿足規(guī)范要求。值得一提的是本橋的承壓鋼板厚度僅為40 mm，與螺栓錨固法所需要的較厚的承壓鋼板(一般不小于60 mm～70 mm，如文獻[11]采用的承壓板厚達90 mm)相比大為減小，這表明采用鋼箱混凝土能很大程度減小拱腳的應力集中，可避免拱腳的鋼箱拱面板及承壓鋼板因采用特厚鋼板所帶來的一系列不利的厚板效應。

3)與埋入法的鋼混結(jié)合構(gòu)造不同，本橋的鋼混過渡構(gòu)造需保證拱腳處鋼箱拱與承壓板及拱座之間處于良好的受壓狀態(tài)。針對此問題建模方法為在拱腳處承壓鋼板下，采用僅受壓桿單元模擬鋼箱拱拱腳和拱座接觸面的單向受壓，受壓桿單元如果受拉，則單元剛度會消失，軸向應力為零，計算結(jié)果表明軸向應力均為壓應力，這表明承壓鋼板與混凝土拱座處于較理想的受壓狀態(tài)。

4)鋼箱內(nèi)混凝土主要呈受壓狀態(tài)，最大壓應力為-9.4 MPa。

由以上結(jié)果可知，采用預應力鋼箱混凝土作為鋼箱拱拱腳的鋼混凝土過渡段，可減緩鋼結(jié)構(gòu)的應力集中，減小鋼箱拱腳處各構(gòu)件的應力，且使鋼箱拱拱腳與拱座之間始終處于良好的受壓狀態(tài)，增強了鋼箱拱與基礎(chǔ)之間的結(jié)合能力，有力確保了全橋的結(jié)構(gòu)安全。

4 結(jié)束語

本文探討了新型的鋼箱混凝土結(jié)構(gòu)在鋼箱拱的拱腳與拱座鋼混凝土連接中的應用，研究結(jié)果表明：

1)將鋼箱混凝土作為拱腳的鋼混凝土連接構(gòu)造，通過將預應力、剪力釘和開孔鋼板、承壓鋼板等進行合理搭配、有機組合，可明顯改善和減緩拱腳的應力集中，達到剛度順適過渡、受力協(xié)調(diào)均勻的目的。

2)施加的預應力可使鋼箱拱拱腳和拱座處于良好的結(jié)合狀態(tài)。

3)預應力矩形鋼箱混凝土在鋼箱拱中具有較好的應用前景，可作為鋼箱拱與拱座之間的理想連接形式。

4)柳州廣雅大橋在2013年底竣工通車，運營多年拱腳受力情況良好，該橋采用預應力鋼箱混凝土作為鋼箱拱拱腳的鋼混連接構(gòu)造，可供其他同類型橋參考。