大跨勁性骨架拱橋整體穩(wěn)定性分析及設(shè)計(jì)技術(shù)

趙 艷,張曉宇,李芳園,蔡柱冰

(廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029)

0 引言

在我國(guó)西南部地區(qū),勁性骨架混凝土拱橋以其剛度大、耐久性好、成本較低的優(yōu)勢(shì),成為超大跨度橋梁選型的重要方向[1-3]。勁性骨架混凝土拱橋施工過(guò)程的受力分析,是此類橋梁設(shè)計(jì)的重點(diǎn),特別是施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性特征。

勁性骨架混凝土拱橋的常用施工方法是:通過(guò)斜拉扣掛系統(tǒng)架設(shè)勁性骨架拱肋節(jié)段并合龍;以勁性骨架拱圈作為施工平臺(tái),搭設(shè)模板,架立鋼筋,澆筑外包混凝土直至混凝土拱肋成形。由于受力和施工條件限制,外包混凝土澆筑很難一次性完成,一般采用分環(huán)分段方式施工。因此,對(duì)于拱肋而言,拱圈截面和恒載是分階段逐步形成的,結(jié)構(gòu)剛度也是逐步提高。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是結(jié)構(gòu)剛度和荷載的綜合指標(biāo),若拱圈荷載大于結(jié)構(gòu)剛度,穩(wěn)定性將會(huì)減弱,結(jié)構(gòu)會(huì)因未充分發(fā)揮材料強(qiáng)度而發(fā)生屈曲破壞,工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)避免這種情況的發(fā)生。

1 施工過(guò)程整體穩(wěn)定性特征

本文以某600 m跨徑勁性骨架混凝土拱橋作為背景,討論穩(wěn)定性特點(diǎn)及設(shè)計(jì)方法。該拱橋跨徑為600 m,由兩條拱肋和肋間箱型橫聯(lián)構(gòu)成,單條拱肋的勁性骨架為四管桁式構(gòu)造,弦管為鋼管混凝土截面。初步設(shè)計(jì)拱肋弦管橫向中心距為5.2 m,肋間凈距為10 m。弦管直徑為1 m,壁厚為30～35 mm,腹桿型號(hào)為4 L(160 mm×100 mm×16 mm),平聯(lián)桿型號(hào)為4 L(110 mm×110 mm×14 mm),僅在拱上立柱與拱肋相交處設(shè)置肋間箱型橫聯(lián)。外包混凝土分三環(huán)八工作面澆筑,每個(gè)工作面分為6～7段。隨著外包混凝土施工過(guò)程,拱肋截面變化如圖1所示。

圖1 勁性骨架混凝土拱及分環(huán)分段示意圖(mm)

采用Midas軟件建模分析,勁性骨架弦管、腹桿、平聯(lián)桿等采用梁?jiǎn)卧M,外包混凝土采用板單元模擬。如圖2所示。

圖2 Midas計(jì)算模型圖

2 整體穩(wěn)定性特點(diǎn)

該600 m勁性骨架混凝土拱橋在外包過(guò)程中,結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性安全系數(shù)變化曲線如圖3所示。

圖3 外包混凝土施工過(guò)程整體穩(wěn)定性安全系數(shù)變化曲線圖

從圖3可以看出,在底板環(huán)澆筑階段,拱肋荷載的增加與拱肋剛度的增加在穩(wěn)定性問(wèn)題上基本持平。這是因?yàn)榈装寤炷练搅肯鄬?duì)較小,且對(duì)于截面而言,僅底板與下弦管部分剛度增強(qiáng),對(duì)整個(gè)截面的剛度提高而言亦不顯著。底板第一段澆筑時(shí),之所以整體穩(wěn)定性明顯增大,是因?yàn)闈仓r(shí)包含有底板第一段范圍的橫聯(lián)底板,使得肋間橫聯(lián)剛度提高,進(jìn)一步提高了拱肋整體橫向剛度。

在腹板環(huán)澆筑階段,拱肋剛度增加漸漸快于拱肋荷載的增加,整體穩(wěn)定性逐漸提高。拱肋箱型截面的腹板混凝土澆筑方量往往是三環(huán)澆筑中最多的;同時(shí),澆筑腹板使拱肋截面由接近桁式結(jié)構(gòu)的勁性骨架截面,轉(zhuǎn)變成混凝土U形截面,表示在腹板環(huán)澆筑過(guò)程中,拱肋的荷載和截面剛度都在快速增大。從結(jié)果上看,形成U形混凝土截面提高剛度的效果更為顯著。

在頂板環(huán)澆筑時(shí),整體穩(wěn)定性增加迅速。這是由于頂板環(huán)混凝土較少,截面從混凝土U形斷面向閉合的箱型斷面轉(zhuǎn)變,截面剛度提高較大,特別是肋間橫聯(lián)也形成閉合斷面,使拱肋面外剛度達(dá)到最大。

如圖4、圖5所示,計(jì)算表明,除最后一個(gè)外包混凝土施工階段,即頂板第6段澆筑時(shí),第一階失穩(wěn)模態(tài)為豎向反對(duì)稱彎曲外,其他施工階段皆為橫向?qū)ΨQ彎曲。對(duì)于大跨拱橋來(lái)說(shuō),在面內(nèi)豎向,由于具有拱形結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn),使得彎曲剛度增大;在面外橫向,雖然有肋間橫聯(lián)的作用,使得橫向彎曲截面增高,但橫聯(lián)骨架仍然較弱,相對(duì)于面內(nèi)豎向的彎曲剛度明顯不足。所以,在外包混凝土澆筑過(guò)程中,以面外橫向彎曲失穩(wěn)為主導(dǎo)。

圖4 勁性骨架合龍階段第一階整體失穩(wěn)模態(tài)云圖

圖5 頂板環(huán)第6段澆筑階段第一階整體失穩(wěn)模態(tài)云圖

3 提高整體穩(wěn)定性的構(gòu)造措施

3.1 基本尺寸

基本尺寸是指拱肋的拱肋截面寬度、拱肋間凈距等。

(1)增加拱肋寬度,可以在一定程度提高拱肋橫向彎曲剛度。雖然會(huì)同時(shí)增加頂?shù)装寤炷练搅?但由于頂?shù)装迨欠汁h(huán)澆筑,因此荷載的增加相對(duì)較小。此方法對(duì)提高整體穩(wěn)定性有一定的幫助。

(2)增加拱肋凈距,實(shí)質(zhì)是增加拱圈橫向抗彎高度,比增加拱肋寬度更為直接,并且增加拱肋凈距僅會(huì)增大拱肋間橫撐的澆筑方量,比增加拱肋所需的方量較少。但拱肋凈距還受上部結(jié)構(gòu)的客觀約束,具體需要考慮主梁寬度、蓋梁和墩柱受力。拱肋凈距加大會(huì)使立柱間距加大,進(jìn)而使雙柱式蓋梁的凈跨增大,不利于結(jié)構(gòu)受力。

擬定兩種加強(qiáng)措施:(1)保持肋間凈距不變的情況下,加寬兩條拱肋各1 m;(2)僅加寬肋間凈距2 m。計(jì)算結(jié)果如圖6所示,可以看到,增加拱肋寬度可以在底板環(huán)及頂板環(huán)澆筑時(shí)較明顯地提高結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性,而在腹板環(huán)澆筑時(shí)提高相對(duì)較少。增加肋間凈距,亦對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有所提高,但效果弱于增加拱肋寬度的措施。

圖6 拱肋基本尺寸增大對(duì)施工整體穩(wěn)定性的影響對(duì)比曲線圖

3.2 構(gòu)件設(shè)計(jì)

構(gòu)件主要指勁性骨架弦管、腹桿與平聯(lián)桿。由于勁性骨架為桁式構(gòu)件,因此增加弦管的直徑或壁厚,對(duì)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的影響較小。

勁性骨架的腹桿一般為型鋼或型鋼組合構(gòu)件。腹桿在拱肋豎平面,對(duì)于橫向彎曲而言即為“頂?shù)装濉蔽恢?。由于腹桿的面積較小,型號(hào)增大有限,其型號(hào)的變化對(duì)整體穩(wěn)定性的影響有限。

勁性骨架平聯(lián)桿大多為型鋼或型鋼組合構(gòu)件。與腹桿不同的是,拱肋寬度比拱肋高度小,平聯(lián)桿的面積增加對(duì)拱肋截面框架效應(yīng)貢獻(xiàn)較大。因此,其對(duì)整體穩(wěn)定性的影響也會(huì)相應(yīng)擴(kuò)大。

擬定三種拱肋構(gòu)件優(yōu)化的措施,在不考慮外包混凝土增加的前提下:(1)弦管直徑增大為1 m;(2)腹桿型號(hào)增加為4 L(180 mm×110 mm×16 mm);(3)平聯(lián)桿型號(hào)增加為4 L(140 mm×140 mm×14 mm)。施工過(guò)程整體穩(wěn)定性的影響情況如圖7所示。

圖7 桿件型號(hào)優(yōu)化對(duì)施工整體穩(wěn)定性的影響對(duì)比曲線圖

如圖7所示,弦管增大對(duì)外包混凝土施工過(guò)程的穩(wěn)定性優(yōu)化效果不佳,甚至削弱了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性;腹桿增強(qiáng)雖然可提高底板環(huán)與腹板環(huán)的施工穩(wěn)定性,但在施工后期也會(huì)造成穩(wěn)定性下降;平聯(lián)桿加強(qiáng)可使外包混凝土施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性明顯提高,尤其是在腹板環(huán)澆筑時(shí)。

增大弦管、腹桿與平聯(lián)桿腹桿的尺寸,都可能增厚頂?shù)装寤蚋拱?這樣會(huì)削弱提高整體穩(wěn)定性措施的作用,甚至產(chǎn)生反效果。另外,增大骨架桿件的面積,也會(huì)增加拱肋節(jié)段吊裝時(shí)的重量,需要匹配更強(qiáng)勁的吊裝系統(tǒng),在一定程度上也增加了施工成本。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)層面上,增加肋間橫撐剛度與數(shù)量,是提高施工過(guò)程整體穩(wěn)定性的有效措施。肋間橫撐根據(jù)作用周期與材質(zhì),可分為永久混凝土橫撐、臨時(shí)鋼結(jié)構(gòu)橫撐以及永久鋼結(jié)構(gòu)橫撐。

(1)永久混凝土橫撐。永久混凝土橫撐常用的有兩種:①箱型橫撐,對(duì)于上承式拱橋,往往設(shè)置在有拱上立柱的拱肋處;②Ⅰ型橫撐,一般設(shè)置于兩道箱型橫撐間。永久混凝土橫撐由于外包混凝土的剛度較大,因此可提高施工過(guò)程的整體穩(wěn)定性。但其不利之處也較為突出:拱肋間較多的橫撐,會(huì)影響拱橋空間美感,拱肋橫撐的施工難度較大,過(guò)多的肋間橫撐會(huì)增加模板工程和施工平臺(tái)的復(fù)雜性和施工周期。

(2)永久鋼結(jié)構(gòu)橫撐。鋼結(jié)構(gòu)橫撐是采用鋼管、型鋼或鋼管混凝土構(gòu)件,建立拱肋間聯(lián)系的構(gòu)件。根據(jù)構(gòu)件設(shè)計(jì)形式可以分為“Ⅰ”字撐、“K”撐、“X”撐。根據(jù)設(shè)置位置一般可分為上弦管平面、下弦管平面或連接上下弦平面的桁式結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)橫撐相對(duì)于混凝土橫撐,施工更為便捷,一般是在勁性骨架架設(shè)過(guò)程中吊裝鋼結(jié)構(gòu)橫撐。其可以充分發(fā)揮構(gòu)件剛度,不會(huì)在成橋后產(chǎn)生過(guò)多安全冗余。但鋼結(jié)構(gòu)橫撐的不利之處是:在鋼結(jié)構(gòu)與拱肋外包混凝土接頭位置會(huì)出現(xiàn)鋼混交界面,在拱肋變形和長(zhǎng)期環(huán)境變換過(guò)程中,會(huì)產(chǎn)生脫空、裂縫,發(fā)生滲水腐蝕鋼筋與鋼管,不利于結(jié)構(gòu)的耐久性;其接頭部分較多,會(huì)影響拱肋內(nèi)側(cè)模板工程模塊化,不利于支模,降低施工進(jìn)度;由于鋼結(jié)構(gòu)橫撐往往是細(xì)長(zhǎng)桿件,其在軸壓力作用下的局部穩(wěn)定性較小,因此需要采用桁式構(gòu)造,但這樣會(huì)使得拱肋整體外觀繁雜、不簡(jiǎn)潔。

如圖8所示,鋼結(jié)構(gòu)橫撐的效果強(qiáng)于混凝土橫撐,上弦管平面橫撐強(qiáng)于下弦管平面橫撐,X形橫撐效果強(qiáng)于Ⅰ形及K形橫撐。

圖8 不同肋間橫撐形式對(duì)施工整體穩(wěn)定性的影響對(duì)比曲線圖

(3)臨時(shí)鋼結(jié)構(gòu)橫撐,是指根據(jù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性特征,在拱肋有效位置布置鋼結(jié)構(gòu)桿件,并在結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性足夠時(shí)拆除。根據(jù)前述,可以在架設(shè)拱肋勁性骨架時(shí),安裝橫撐鋼結(jié)構(gòu),在腹板環(huán)澆筑后的一段時(shí)間內(nèi)再拆除。這樣既可以加強(qiáng)拱肋整體穩(wěn)定性,又能避免鋼結(jié)構(gòu)橫撐與外包混凝土接頭等問(wèn)題。但上弦管是最后一環(huán)包裹混凝土,到頂板環(huán)澆筑時(shí),其應(yīng)力往往較大。根據(jù)前述,較為有效的橫撐形式是選用上弦管平面的X撐,但這種情況下,橫撐桿件與拱肋橫向會(huì)有顯著傾角,因而會(huì)分擔(dān)拱肋軸向受力,且隨著外包施工的進(jìn)行,受力會(huì)逐漸增大。因此,橫撐采用火焰切割時(shí),應(yīng)采取保護(hù)措施避免損傷主弦管母材。同時(shí),在不影響拱肋鋼筋布設(shè)及混凝土密實(shí)情況下,盡可能保留長(zhǎng)的切割余量。拆除時(shí)需要做好主拱橫撐拆除制定專項(xiàng)施工方案,以確保主橋結(jié)構(gòu)安全及施工安全。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)例,分析了勁性骨架混凝土拱橋在分環(huán)分段澆筑外包混凝土過(guò)程中的整體穩(wěn)定性特征,討論了在基本尺寸、構(gòu)件及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)層面采取的加強(qiáng)措施對(duì)穩(wěn)定性的增強(qiáng)作用以及優(yōu)缺點(diǎn)。主要結(jié)論如下:

(1)外包混凝土底板環(huán)、腹板環(huán)施工過(guò)程中,整體穩(wěn)定性持續(xù)降低,直到頂板環(huán)澆筑時(shí),隨混凝土截面逐漸閉合,結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性系數(shù)快速增加。

(2)在外包混凝土施工前期,結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的失穩(wěn)模態(tài)以橫橋向彎曲為主,后期隨著橫向剛度逐漸增大,第一階失穩(wěn)模態(tài)可能會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐载Q向彎曲為主。

(3)增加拱肋寬度可以在一定程度上提高結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的整體穩(wěn)定性;增加肋間凈距也可以提高穩(wěn)定性,但效果沒(méi)有前者明顯。

(4)增加桿件的型號(hào),對(duì)施工穩(wěn)定性的影響較弱,有可能產(chǎn)生不利效果。

(5)本文各方案中,提高整體穩(wěn)定性最為有效的方式是增設(shè)肋間橫撐,其中采用臨時(shí)鋼結(jié)構(gòu)橫撐,并設(shè)計(jì)為上弦管X形撐形式對(duì)結(jié)構(gòu)受力和施工較為有利。