大跨度剛梁柔拱組合體系橋梁設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題研究

李 爽

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110015)

1 案例分析

1.1 工程概況

工程為410 m跨徑主橋，主橋?yàn)槿走B續(xù)拱梁組合體系，橋梁跨徑組合結(jié)構(gòu)形式為(105+200+105)m。

1.2 梁結(jié)構(gòu)構(gòu)造形式

(1)主梁截面構(gòu)造

拱橋?yàn)橄鲁惺浇Y(jié)構(gòu)，主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，箱梁為變高的結(jié)構(gòu)形式。截面為雙箱單室，橋梁全斷面寬為33.5 m。路面機(jī)動(dòng)車道寬為2×16 m，本段平面為直線段不設(shè)置超高，路拱采用2%的雙向橫坡度。

主梁頂板的厚度30 cm，懸臂自由端厚度18 cm，梁端厚度80 cm。梁腹板采用厚度漸變方式，厚度由55 cm變化至80 cm。底板采用1.8次拋物線進(jìn)行變化，厚度由30 cm變化至90 cm。

(2)拱肋構(gòu)造

拱圈為四管式雙拱肋，與梁體共同受力，結(jié)構(gòu)為下承式拱梁組合結(jié)構(gòu)。拱腳固接于箱主梁體內(nèi)，拱軸系數(shù)m=1.167的懸鏈線，矢跨比分別為1/3。

拱肋凈跨徑200 m，拱肋高200 cm，寬150 cm；均由二榀拱肋組成，每榀拱肋斷面為高度桁式肋，由四肢Ф610×13 mm的Q345C鋼管組成，拱肋鋼管填充C50微膨脹混凝土。

(3)吊桿構(gòu)造

吊桿采用環(huán)氧噴涂無(wú)粘結(jié)擠壓拉索，外部帶有PE防護(hù)管，上、下端分別固定在下弦管頂和矮橫梁底部，上、下設(shè)導(dǎo)管和防水及封端設(shè)施，吊桿索外包PU外擴(kuò)套和PE防護(hù)套，吊桿上、下均設(shè)置減震圈；吊桿間距均為7.5 m。

1.3 受力特點(diǎn)分析

本橋?qū)儆趧傂粤喝嵝怨敖M合橋?yàn)橄鲁惺竭B續(xù)梁拱組合體系橋。主梁能承受較大的壓應(yīng)力，拱圈主要承受吊桿傳來(lái)的下部荷載，主要產(chǎn)生壓應(yīng)力，這種大跨度剛梁柔拱組合體系橋梁與一般的下承式拱橋不同，此類橋梁拱肋吊桿受力分布不均勻，吊桿在靠近拱腳處受力較小，跨中受力較大[2]。

這種橋梁結(jié)構(gòu)通常采用“先梁后拱”的施工方法，因此從梁的受力特點(diǎn)上看，由主梁作為自身重量的主要承擔(dān)結(jié)構(gòu)，主梁、拱肋共同承擔(dān)二期恒載和活載。由此可見(jiàn)，剛梁柔拱組合體系橋梁具有拱橋和連續(xù)梁橋共同的受力特點(diǎn)，梁拱的剛度比會(huì)很大程度影響梁拱結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分配，同時(shí)采用不同的施工方法對(duì)梁拱受力影響也較大，這種結(jié)構(gòu)受力相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜。

1.4 抗震分析

(1)反應(yīng)譜分析基本原理[3]

基于單振子地震響應(yīng)進(jìn)行反應(yīng)譜分析，通過(guò)單振子的質(zhì)量、阻尼、剛度假定在地震作用下產(chǎn)生加速度，描述為地震作用。用相關(guān)公式可以表示為公式(1)

(1)

(2)結(jié)合反應(yīng)譜的地震力計(jì)算

多自由度體系的各項(xiàng)反應(yīng)值是通過(guò)振型分解后產(chǎn)生各自的獨(dú)立震動(dòng)，然后再根據(jù)各個(gè)分解后振動(dòng)最大值進(jìn)行組合，就得到了最大地震作用破壞值。本次選用表1的地震動(dòng)組合方式進(jìn)行參數(shù)分析。計(jì)算分析時(shí)忽略行波對(duì)地震作用波產(chǎn)生的影響。

表1 反應(yīng)譜四種工況分析參數(shù)選取表

本次選取上述工況組合中工況2進(jìn)行研究分析，得到隨著時(shí)間不斷的延長(zhǎng)地震作用下頻率數(shù)據(jù)變化曲線。

根據(jù)上述地震作用反應(yīng)譜周期頻譜變化曲線可以看出：工況2在地震作用下，受到地震作用橋梁會(huì)在瞬間產(chǎn)生較大的破壞力，通過(guò)增設(shè)彈性構(gòu)件或阻尼構(gòu)件，可以有效減小頻譜的反映時(shí)間，能夠有效的提高橋梁結(jié)構(gòu)的抗震能力。

2 梁拱組合體系受力分析

2.1 工況設(shè)定

在梁拱組合橋梁的施工和運(yùn)營(yíng)期間，受力較為復(fù)雜的部位就是梁拱結(jié)合部位，在各類荷載作用下結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生支座位移、收縮徐變、溫度徐變等[4]。施工過(guò)程中主梁施工支架拆除前后和吊桿張拉之前拱腳受力變化是施工階段最不利受力情況之一。利用有限元模型Midas Civil對(duì)橋梁受力狀態(tài)進(jìn)行跟蹤模擬，通過(guò)對(duì)各種荷載的施加，能夠極大程度模擬橋梁實(shí)際受力和變形情況。采用以下四個(gè)工況分析梁拱組合結(jié)構(gòu)形式的受力，參見(jiàn)表2。

表2 梁拱組合結(jié)構(gòu)形式受力工況分析表

2.3 梁頂板受力分析

在表2中的四種工況作用下，可以很好的分析每個(gè)工況作用下拱腳位置所受到的縱向正應(yīng)力、壓應(yīng)力、拉應(yīng)力的受力分布及變化情況。在拱梁結(jié)合部位梁體的頂板處受力變化較大，可以有效得到縱向正應(yīng)力在頂板上橫向分布規(guī)律。

(1)梁體縱向正應(yīng)力分析

在實(shí)際工程計(jì)算中，采用工況1的恒載布置形式，發(fā)現(xiàn)在翼緣板端部梁板的縱向正應(yīng)力最大；采用工況2墩頂截面負(fù)彎矩最大布置形式，發(fā)現(xiàn)梁體的第一道橫隔板與頂板相交處拉應(yīng)力最大；采用工況3墩頂截面剪力最大布置形式，發(fā)現(xiàn)梁體的第一道橫隔板與頂板相交處拉應(yīng)力最大；采用工況4墩頂截面剪力最大布置形式，發(fā)現(xiàn)梁體的翼緣板端部拉應(yīng)力最大；根據(jù)上述4個(gè)工況的受力分析，得出恒載決定著拱腳結(jié)合段正應(yīng)力[5]。

(2)主拉應(yīng)力分析

對(duì)于梁體主要的拉應(yīng)力，工況1作用下，主梁和拱肋鋼管相交位置處頂板的主拉應(yīng)力最大；工況2作用下第一道橫隔板和頂板下緣腹板相交倒角位置頂板的主拉應(yīng)力最大；工況3作用下，第一道橫隔板和頂板下緣腹板相交倒角位置頂板的主拉應(yīng)力最大；工況4作用下，第一道橫隔板和頂板下緣腹板相交倒角位置頂板的主拉應(yīng)力最大。由上述分析可知，恒載決定著拱腳結(jié)合段正應(yīng)力，這是由于頂板縱橋向正應(yīng)力分析時(shí)，沒(méi)有考慮鋼筋構(gòu)造對(duì)應(yīng)力有著重要的分散作用[6]。

(3)梁頂板橫向應(yīng)力分析

工況1作用下，腹板與頂板相交處拉應(yīng)力最大，翼緣板端部壓應(yīng)力最大；工況2作用下，頂板與拱腳鋼管相交處拉應(yīng)力最大，翼緣板端部壓應(yīng)力最大；工況3作用下，頂板與拱腳鋼管相交處拉應(yīng)力最大，翼緣板端部壓應(yīng)力最大；工況4作用下，頂板與拱腳鋼管相交處拉應(yīng)力最大，翼緣板端部壓應(yīng)力最大。

2.4 梁體腹板應(yīng)力分析

(1)縱向正應(yīng)力

根據(jù)工況1分析，腹板受力通過(guò)支座進(jìn)行傳遞，通?？梢越普J(rèn)為支座以與腹板45°夾角方向向上傳遞，通過(guò)對(duì)橋梁腹板受恒載作用受力分析，得知腹板縱橋向應(yīng)力最大受力位置在腹板底，最小受力位置在中橫隔板與腹板中部的連接處。根據(jù)工況2分析，腹板受力通過(guò)支座進(jìn)行傳遞，通?？梢越普J(rèn)為支座以與腹板45°夾角方向向上傳遞，通過(guò)對(duì)橋梁腹板受恒載作用受力分析，得知腹板縱橋向應(yīng)力最大受力位置腹板底部，最小受力位置在腹板中部與中橫隔板連接處。根據(jù)工況3分析，通過(guò)對(duì)橋梁腹板受恒載作用受力分析，得知腹板縱橋向應(yīng)力最大受力位置腹板底部，最小受力位置在腹板中部與中橫隔板連接處。根據(jù)工況3分析，通過(guò)對(duì)橋梁腹板受恒載作用受力分析，得知腹板縱橋向應(yīng)力最大受力位置腹板底部，最小受力位置在腹板中部與中橫隔板連接處。根據(jù)上述四個(gè)工況分析，最大拉壓應(yīng)力分布基本相同，可以得出梁體縱向正應(yīng)力主要由恒載決定的[7]。

(2)主梁拉應(yīng)力分析

工況1作用下，腹板與頂?shù)装暹B接處主拉應(yīng)最大；工況2作用下，腹板與頂?shù)装屙數(shù)装暹B接處主拉應(yīng)最大；工況3作用下，腹板與頂?shù)装屙數(shù)装暹B接處主拉應(yīng)最大；工況4作用下，腹板與頂?shù)装屙數(shù)装暹B接處主拉應(yīng)最大；分析時(shí)沒(méi)有考慮普通鋼筋構(gòu)造對(duì)應(yīng)力的分散作用，應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn)在倒角位置。

3 施工過(guò)程主梁混凝土應(yīng)力變化分析

3.1 主梁施工線形控制

橋梁的施工方案和橋梁的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了大跨度連續(xù)梁橋施工階段的劃分，在施工過(guò)程中，根據(jù)施工外部環(huán)境條件的不同對(duì)橋梁施工方案的選擇有較大的影響。對(duì)于大跨徑梁拱組合體系，隨著施工進(jìn)度推進(jìn)所附加的施工荷載和選用的施工機(jī)械也各不相同，這種施工中荷載變化對(duì)橋梁來(lái)說(shuō)會(huì)產(chǎn)生很大的影響。在橋梁施工中對(duì)施工線形控制至關(guān)重要，這是保證橋梁施工線形和施工應(yīng)力變化重要因素。橋梁最終目標(biāo)就是通過(guò)施工控制保證合攏后橋梁滿足設(shè)計(jì)線形要求，這個(gè)需要根據(jù)施工過(guò)程中的實(shí)際情況實(shí)施調(diào)整線形以滿足最終線形使用要求[8]。

3.2 主梁不對(duì)稱施工配重

在橋梁施工過(guò)程由于外部環(huán)境或突發(fā)情況難以避免橋梁出現(xiàn)兩側(cè)不能同步施工情況發(fā)生，這種不對(duì)稱會(huì)導(dǎo)致橋梁施工中的受力不均衡，從而影響橋梁安全。出現(xiàn)這種不能對(duì)稱施工情況時(shí)，最常用的方法就是在橋梁對(duì)稱位置進(jìn)行配重來(lái)平衡梁體兩側(cè)重量，除此之外通過(guò)配重還能夠很好的調(diào)節(jié)梁體內(nèi)力、線形等施工重要控制因素，通常采用配重施工具有以下幾個(gè)作用。

(1)有效控制合攏線形。橋梁端部在合攏過(guò)程中會(huì)由于梁端自重產(chǎn)生撓曲變形，從而影響合攏段標(biāo)高相對(duì)位移，為了保證順利完成合攏施工，通常會(huì)對(duì)相對(duì)位移標(biāo)高較小的一端進(jìn)行配重，使得梁體端部相對(duì)位移符合合攏條件，能夠更好的保證梁體最終線形平順。

(2)有效調(diào)整合攏段標(biāo)高差。根據(jù)施工不同組織形式和施工方案的選用，施工過(guò)程中常會(huì)出現(xiàn)與理論值的偏差，這種偏差可能導(dǎo)致橋梁合攏線形出現(xiàn)突變，這就需要調(diào)整標(biāo)高來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，通常采用在標(biāo)高較高的一端增加配重，使得合攏段兩端梁體標(biāo)高一致，但是配重應(yīng)根據(jù)橋梁實(shí)際情況使用，避免出現(xiàn)配重過(guò)大損壞梁體。

4 結(jié) 語(yǔ)

主要對(duì)大跨度剛梁柔拱組合體系橋梁設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題研究，主要涉及梁的整體運(yùn)營(yíng)期受力分布和施工過(guò)程梁體受力分布，同時(shí)著重對(duì)梁體抗震性能設(shè)計(jì)進(jìn)行系統(tǒng)分析，這是橋梁耐久安全的一個(gè)重要指標(biāo)。通過(guò)實(shí)際工程認(rèn)識(shí)且了解到梁拱組合橋梁的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和不同階段的受力特點(diǎn)。梁拱結(jié)構(gòu)橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其不同部位的受力特點(diǎn)，根據(jù)這種受力特點(diǎn)對(duì)橋梁截面壓應(yīng)力、拉應(yīng)力等受力進(jìn)行了重點(diǎn)分析，橋梁結(jié)構(gòu)和構(gòu)造分析、受力特點(diǎn)分析得出梁拱組合體系橋梁最不利受力點(diǎn)集中在梁拱組合交點(diǎn)位置。其次對(duì)梁拱組合橋梁的地震作用進(jìn)行逐一分析，同時(shí)也更好地明確了梁拱組合體系地震影響設(shè)計(jì)的重要分析方法，對(duì)于同類項(xiàng)目設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值和意義。最后通過(guò)梁拱組合橋的特點(diǎn)主要對(duì)施工過(guò)程中梁拱組合橋施工控制進(jìn)行了系統(tǒng)分析，以更好服務(wù)于實(shí)際建設(shè)中，主要對(duì)于兩側(cè)平衡施工過(guò)程出現(xiàn)差異問(wèn)題采用平衡配重來(lái)進(jìn)行處理的重要方法手段，為保證梁拱組合體系橋成橋線形保證提供重要施工方法共同類項(xiàng)目借鑒和使用。