主跨290m上承式鋼管混凝土拱橋設(shè)計與分析

趙安華

(創(chuàng)輝達設(shè)計股份有限公司,湖南 長沙 410000)

在橋梁建設(shè)中,拱橋因其造型美觀、跨越能力強、耐久性好等特點一直是很有競爭力的橋型之一。鋼管混凝土橋能夠較大提升橋梁的跨越能力,充分利用了鋼與混凝土材料的力學(xué)特性,充填混凝土的鋼管穩(wěn)定性大幅度提升,同時由于鋼管的套箍效應(yīng)混凝土強度也有所提高,且施工過程也及其方便[1-3]。上承式鋼管混凝土拱橋具有適應(yīng)橋址地形、地質(zhì)條件強、施工方便等優(yōu)點在山區(qū)拱橋建設(shè)廣泛采用[4]。為研究此類橋梁結(jié)構(gòu)的受力特點,驗證橋梁結(jié)構(gòu)的合理性與安全性,本文以一座主跨290 m的山區(qū)大跨度鋼管混凝土拱橋為例。采用midas Civil對該橋的施工階段與運營階段進行模擬,分析拱、梁等結(jié)構(gòu)的受力與變形特征,并分析混凝土收縮徐變對拱肋應(yīng)力的影響,為此類橋梁的設(shè)計提供技術(shù)資料。

1 工程概況

迪麻洛河特大橋是貢山縣阿魯臘卡機場公路上的一座特大橋,設(shè)計車速:40 km/h。橋位處于“V”型河谷地貌,橋面至谷底高差約250 m,谷底寬約50 m,路線處谷口寬約450 m。橋跨布置:(3×20)m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁+290 m上承式鋼管混凝土桁架拱+(4×20) m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁,全長453.8 m。主橋?qū)挾? 2 m人行道+8.0 m車行道+2.0 m人行道=12 m;設(shè)計基準(zhǔn)期100年,安全等級一級,設(shè)計使用年限100年;抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度,水平地震動峰值加速度0.20 g,屬A類抗震設(shè)防,抗震設(shè)防措施等級按四級。

2 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

主橋為290 m上承式鋼管混凝土變截面桁架拱。計算矢高58 m,計算矢跨比1/5。拱軸線采用懸鏈線,拱軸系數(shù)m=1.543。主拱圈由兩條鋼管混凝土拱肋及橫撐組成,采用等寬度變高度空間桁架結(jié)構(gòu)。

鋼管混凝土拱肋采用變高度的空間桁架結(jié)構(gòu),拱肋寬度2 m,拱頂截面高度4.0 m,拱腳截面高度8.0 m,拱腳至拱頂采用線性漸變截面,上弦拱肋和下弦拱肋采用等截面鋼管,但不同拱肋部位采用不同管壁厚度,鋼管拱肋管徑φ1 200×26 mm～φ1 200×300 mm。兩片鋼管混凝土拱肋中心距離為8.0 m,拱肋肋間設(shè)置一字型橫撐和米字型結(jié)構(gòu)撐,拱肋上下弦的鋼管內(nèi)灌注C55自密實補償收縮混凝土。上下弦一字型橫撐采用φ600×1 6mm、φ700×16 mm圓形鋼管,無斜撐。采用φ500×500×16 mm和I 500×400 mm型鋼作為拱肋腹桿聯(lián)結(jié)。兩片拱肋間設(shè)12道“米”字橫撐。橫撐均為鋼管桁架,上弦拱肋和下弦拱肋的直桿采用φ600×16 mm鋼管,斜向桿件采用φ500×16 mm鋼管,上、下弦間橫撐直桿間設(shè)φ400×16 mm豎腹桿及交叉斜腹桿,橫撐鋼管均為空心鋼管。

拱上立柱采用雙柱式結(jié)構(gòu),立柱高度從48.675 m變化至5.454 m,截面采用排架式空心鋼箱,截面尺寸根據(jù)立柱高分別采用φ1 300×1 200×16 mm、φ1100×1 200×16 mm兩種。柱間采用“X”形橫撐聯(lián)接,橫撐采用600×900 mm的工字鋼。立柱蓋梁采用空心矩形鋼箱結(jié)構(gòu),蓋梁長10.6 m,蓋梁高1.4 m。

橋面系構(gòu)造采用鋼混組合梁結(jié)構(gòu),設(shè)置5道鋼縱梁,橫向間距2.35 m,梁高1.3 m。順橋向每5.4 m設(shè)置一道鋼橫梁作為橫向聯(lián)系梁,梁高1.0 m。鋼縱、橫梁均采用工字型截面,進行焊接連接。橋面縱橫梁上安裝25 cm厚的普通鋼筋混凝土預(yù)制板作為車行道板,橋面鋪裝采瀝青混凝土層厚11 cm。

拱座位于兩岸山坡坡面,坡面整體穩(wěn)定,基巖裸露在外,采用整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),擴大基礎(chǔ),均采用C40混凝土,置于穩(wěn)定、完整的中風(fēng)化基巖內(nèi)。拱座高15.0 m,順橋向長25 m,橫橋向?qū)?5.2 m。3、4號墩為主、引橋交界墩,同時做扣索錨梁,設(shè)置于拱座基礎(chǔ)上。采用空心薄壁墩,墩頂截面尺寸6.0×1.9 m,壁厚50 cm,順橋向按雙向80∶1坡度向下變寬。

3 結(jié)構(gòu)靜力分析

本文采用空間桿系理論,借助midas Civil軟件建立全橋施工和運營階段的有限元仿真模型來進行全橋結(jié)構(gòu)的靜力分析。全橋共劃2 708個單元,1 429個節(jié)點。鋼混組合梁、鋼管混凝土拱肋、橫撐、腹桿、立柱、蓋梁等構(gòu)件均采用梁單元進行模擬。其中鋼管混凝土拱肋采用雙材料單元,借助midas聯(lián)合截面功能實現(xiàn),混凝土澆筑養(yǎng)護階段,抗壓強度未形成之前,所有的荷載均施加在鋼管拱肋上,混凝土達到加載齡期,強度形成后按鋼材與混凝土的聯(lián)合截面進行計算。由于主拱圈的結(jié)構(gòu)跨度較大,且為壓彎受力構(gòu)件,因此在主橋的施工階段計算過程中需要考慮P-Δ效應(yīng)。

3.1 計算荷載及效應(yīng)組合

(1)自重:鋼材容重取78.5 kN/m3,鋼筋混凝土容重取26 kN/m3,瀝青鋪裝容重取24 kN/m3。

(2)不均勻沉降:主橋拱座基礎(chǔ)考慮不均勻沉降1 cm。

(3)溫度荷載:鋼管混凝土主拱圈合龍溫度15 ℃,按照體系升降溫25 ℃考慮,鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)溫差:±10 ℃,鋼梁與混凝土橋面板溫差:±10 ℃。

(4)風(fēng)荷載:施工階段和運營階段風(fēng)荷載作用效應(yīng)按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》及《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》計算。按照基本風(fēng)速V0=28.9 m/s來計算風(fēng)荷載。

(5)混凝土收縮及徐變:管內(nèi)微膨脹混凝土C55,大氣平均相對濕度按90%取。

(6)汽車活載:公路-Ⅰ級,雙向2車道,計入縱、橫向折減系數(shù),沖擊系數(shù)取值0.054,制動力取值165 kN。

(7)人群荷載:2.4 kN/m2。

施工階段劃分主要考慮混凝土形成結(jié)構(gòu)強度之前后兩種工況,混凝土澆筑養(yǎng)護階段作為外部荷載施加在主拱圈上,形成整體結(jié)構(gòu)后考慮聯(lián)合后的整體截面剛度進行計算。將施工過程劃分為14個施工計算工況。

3.2 施工階段計算結(jié)果匯總

拱肋鋼管混凝土作為鋼管和混凝土兩種材料單元進行組合,根據(jù)其的材料特性和施工安裝過程,采用有限元法疊加計算鋼管應(yīng)力。計算結(jié)果見表1,通過上述應(yīng)力結(jié)果,在拱圈進行安裝后混凝土澆筑的施工過程中,鋼管最大壓應(yīng)力為-91.7 MPa,最小壓應(yīng)力-3.8 MPa,滿足規(guī)范要求。

表1 施工階段構(gòu)件應(yīng)力匯總 (單位:MPa)

橋面系施工及施加二期恒載,拱肋鋼管最大壓應(yīng)力-118.8 MPa,最小壓應(yīng)力-34.8 MPa;鋼管內(nèi)混凝土最大壓應(yīng)力為-9.7 MPa,最小壓應(yīng)力-2.4 MPa;滿足規(guī)范要求。

由于徐變作用影響,拱肋鋼管應(yīng)力增加幅度較大[5],參考已建鋼管混凝土拱橋徐變系數(shù)的取值:茅草街大橋φ(t∞,τ)=1.8～2.5,丫髻沙大橋取φ(t∞,τ)=1.8～2.0。依據(jù)規(guī)范修正方法,整體計算取最大徐變系數(shù)2.8。考慮成橋后3 650 d,拱肋鋼管應(yīng)力增加41.5 MPa。拱肋鋼管最大壓應(yīng)力-157.3 MPa,拱肋混凝土最大壓應(yīng)力-5.1 MPa。

3.3 運營階段計算結(jié)果匯總

(1)運營階段各構(gòu)件應(yīng)力

表2中給出了主橋各主要構(gòu)件運營階段應(yīng)力極值。

表2 運營階段構(gòu)件應(yīng)力匯總 (單位:MPa)

計算結(jié)果表明:運營過程中,各鋼構(gòu)件最大壓應(yīng)力為-186.5 MPa,最大拉應(yīng)力120.2 MPa。鋼管內(nèi)混凝土最大壓應(yīng)力為-15.9 MPa,最大拉應(yīng)力為0.92 MPa(拱腳),均滿足規(guī)范要求。

(2)拱肋承載力驗算

根據(jù)對稱性取全橋1/4主拱肋進行承載力驗算,依據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)進行荷載組合。拱肋按照壓彎構(gòu)件進行承載能力驗算,根據(jù)《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計規(guī)范》5.3.2條:壓彎承載力應(yīng)按下式計算

(3)節(jié)點疲勞驗算

主拱肋承受整體荷載產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象,采用疲勞荷載模型I驗算鋼管混凝土主拱圈及各構(gòu)件疲勞強度。疲勞荷載按照活載(集中荷載0.7 Pk,均布荷載0.3 qk)+溫度進行加載。疲勞驗算應(yīng)滿足構(gòu)件在疲勞荷載作用下的名義應(yīng)力Δσ≤[σ0],N或K型相貫管節(jié)點容許應(yīng)力[σ0]=50 MPa。通過計算,本橋主拱腹桿疲勞應(yīng)力幅最大值為35.3<50 MPa,滿足規(guī)范要求。

(4)橋梁剛度驗算

經(jīng)計算,主拱在活載作用下的撓度為δmax=16.0 mm,δmin=21.8 mm,Δδ=37.8

3.4 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

本橋采用midas建立結(jié)構(gòu)有限元模型,第一類線彈性穩(wěn)定計算方法,分別考慮設(shè)計風(fēng)速及最不利活載的作用,即成橋階段,恒載+全幅車輛荷載,恒載+全幅車輛荷載+風(fēng)荷載等三種工況的穩(wěn)定系數(shù)。計算結(jié)果如表3所示。

表3 穩(wěn)定計算結(jié)果匯總表

計算表明:恒載作用下結(jié)構(gòu)第一階穩(wěn)定系數(shù)為36.3,恒載和汽車荷載作用下結(jié)構(gòu)第一階穩(wěn)定系數(shù)為28.1,恒載、汽車荷載和風(fēng)荷載共同作用下結(jié)構(gòu)第一階穩(wěn)定系數(shù)為27.3,三種不同荷載作用下結(jié)構(gòu)的第一階失穩(wěn)模態(tài)為立柱的局部失穩(wěn)。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性系數(shù)滿足相關(guān)規(guī)范要求(大于4)。拱肋表現(xiàn)為面外失穩(wěn),本橋穩(wěn)定性受面外剛度控制,與大多數(shù)拱橋失穩(wěn)模態(tài)一致,也與本橋?qū)挾扔幸欢P(guān)系;本橋的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)大于穩(wěn)定系數(shù)最小值4.0,結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和局部穩(wěn)定性均滿足使用要求。成橋狀態(tài)在風(fēng)荷載作用下,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性系數(shù)為27.3?；钶d及風(fēng)載對穩(wěn)定的影響相對較小,對稱加載比不對稱加載更加不利。

4 結(jié) 語

(1)大橋靜力分析表明,施工和運營階段大橋各桿件的強度、剛度以及穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。

(2)鋼管混凝土收縮徐變會引起拱肋應(yīng)力重分布,增大了鋼管的壓應(yīng)力,減小了混凝土壓應(yīng)力。

(3)大橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)均大于4,邊立柱容易發(fā)生局部失穩(wěn),設(shè)計時需重點考慮。