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某單跨下承式鋼管混凝土系桿拱橋設計分析

2015-05-30 20:55:54陸文超張俊海
科技創(chuàng)新與應用 2015年20期
關鍵詞:鋼管混凝土橋梁設計

陸文超 張俊海

摘 要:單跨下承式鋼管混凝土系桿拱橋由于其較新穎的結構形式、較經(jīng)濟的造價而成為現(xiàn)代城市橋梁建設最受青睞的結構形式之一。文章結合實際工程地質,通過合理的結構設計,考慮按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的設計組合并選取最不利效應,通過詳盡的結構計算,驗算得出結構各項技術指標均滿足規(guī)范要求,結構整體和局部構件安全可靠,該橋的成功實施可為同類橋梁設計計算和施工提供范例。

關鍵詞:鋼管混凝土;系桿拱橋;承載能力極限狀態(tài);正常使用極限狀態(tài);橋梁設計

1 工程概況

依托工程位于浙江某市,橫跨排塘港,女兒橋老橋為板梁結構,橋寬7.5m,橋梁配跨為(13+15+13)m,始建于1995年。根據(jù)河道改建后的情況,老橋不能滿足今后使用要求,且現(xiàn)橋位處為規(guī)劃Ⅵ級航道,橋梁通航孔凈高不小于4.5m,最高通航水位2.16m。由于老橋阻水嚴重、跨徑小,按河道改建及航道通航要求,需重建新橋。

女兒橋跨徑組成為(20+57.6+20)m,橋寬:0.5m(護欄)+7.5m(行車道)+0.5m(護欄)=8.5m,引橋為預應力混凝土簡支空心板,主橋為,主橋為單跨下承式鋼管混凝土系桿拱橋,主拱拱肋計算跨徑56m,矢高11.2m,矢跨比1/5,拱軸線呈二次拋物線變化,主橋下部構造為主墩采用實體墩,柱式臺,鉆孔灌注樁基礎。新建依托工程屬于現(xiàn)代城市橋梁,對景觀要求較高,對其總體設計時應綜合考慮水文、地質等因素,在滿足車與人通行的基本要求下,力求達到景觀和諧共生、結構經(jīng)濟安全、施工方便快捷的目標。

2 主要技術指標

道路等級:公路-Ⅱ級。橋梁全寬:0.5m(護欄)+7.5m(行車道)+0.5m(護欄)=8.5m。橋梁設計基準期:100年。設計安全等級:一級。

耐久性設計環(huán)境類別:Ⅰ類。設計洪水頻率:1/100洪水頻率。航道等級:Ⅵ級??拐鸬燃墸簶蛭惶幍卣饎臃逯导铀俣葹椋?.05g,相當于基本烈度Ⅵ度,按Ⅶ度地震烈度設防。

3 主橋結構設計

3.1 拱肋設計

主拱拱肋采用單圓鋼管混凝土,鋼管外徑1.0m,壁厚14mm,內(nèi)設輔助鋼筋加強。拱肋間設置道風撐,風撐外徑0.6m,壁厚14mm。拱肋鋼材均采用Q345C鋼,壁厚全長不變以便于施工。

拱肋架設采用分段起吊就位,逐段拼裝,并采用在連結點處搭設支架連結點的方法施工。施工時隨時注意拱軸線的調整。拱肋混凝土施工采用泵送頂升澆灌法,即在鋼管接近地面的適當位置安裝一個帶閘門的進料支管,直接與泵車的輸送管道相連,由泵車將混凝土連續(xù)不斷地自下而上灌入鋼管,C50混凝土灌注應以拱頂對稱中心,由拱腳至拱頂連續(xù)澆注。

3.2 吊桿設計

每根拱肋上設置吊桿9根,間距均為5.5m。吊桿采用Φs15.2-7環(huán)氧鋼絞線,標準強度fpk=1860MPa。吊桿施工時首先將吊桿兩端的螺母旋出,將起吊設備的牽引繩由待穿吊桿的拱上預留孔放下,穿過球形墊塊及球形螺母,再將吊牽引繩的連接頭與吊桿上端錨頭內(nèi)螺紋連接,并將錨頭從拱肋上的預埋孔管牽引出預埋墊板,繼續(xù)上提至下端錨頭裝入下預埋管,放下吊桿,裝上球形墊板并旋上球形螺母。在下端預埋管內(nèi)應灌入OVM.PZ型防腐材料作為填充材料,務必將錨頭處全部充滿,下端防水罩安裝要求密封不滲水。

3.3 主橋橋面系結構設計

主橋橋面系結構部分主要由系梁,中橫梁和強大的端橫梁組成。兩根縱向系梁將一組橫向中端橫梁串連在一起形成一平面網(wǎng)格系承擔著端橫梁與系梁交點處拱腳的水平推力,將橋面系恒載及活載通過與系梁和中橫梁結點處連接的吊桿傳至拱肋,同時約束吊桿下端的位移,為拱肋提供非保向力作用以增強其橫向穩(wěn)定性。

(1)系梁。系梁采用預應力混凝土實心斷面,其斷面尺寸為高1.0m,寬1.4m。在每根系梁內(nèi)沿形心軸對稱布置8束標準強度fpk=1860MPa的預應力鋼束。在河中搭設臨時滿堂支架,超載預壓后,現(xiàn)澆系梁并在系梁外側埋設過橋管道角鋼支架。待各部分系梁達到設計強度90%后,在端橫梁后端張拉系梁內(nèi)縱向永久預應力索,張拉系梁內(nèi)N1、N2號鋼束,等第一次張拉吊桿鋼束結束,張拉系梁內(nèi)N3、N4號鋼束。張拉工序:0→初應力→σcon(持荷兩分鐘錨固)。(2)中橫梁。中橫梁采用預應力混凝土T形梁,與現(xiàn)澆橋面板相接,通過橋面縱向預應力鋼束與橋面板結成整體,斷面高0.7m~0.79m。梁全長8.5m,頂寬3.1m,底寬0.7m。計算跨徑(橫向兩吊桿間距離)為9.9m。內(nèi)設2束標準強度fpk=1860MPa的7-Φs15.2低松弛高強度預應力鋼絞線,采用OVM系列錨具錨固。中橫梁采用預制法施工,待混凝土達到設計強度的90%后,張拉中橫梁內(nèi)N1號鋼束并及時壓漿。待第一次吊桿張拉結束,再張拉中橫梁中的N2鋼束。待橋面板混凝土達到設計強度的90%后,張拉橋面板預應力鋼束并及時壓漿封錨。(3)端橫梁。端橫梁為鋼筋混凝土箱形梁,斷面高1.5m,寬2.05m,最小壁厚0.3m,計算跨徑(橫向兩拱肋間距離)為8.5m。內(nèi)設16束標準強度fpk=1860MPa的7-Φs15.2低松弛高強度預應力鋼絞線,采用OVM系列錨具錨固。端橫梁在橋墩施工完成后于墩頂上立?,F(xiàn)澆,澆筑時預留橫梁拱座槽口及系梁預應力束張拉槽口。端橫梁混凝土達到設計強度95%時方可進行拱座內(nèi)拱肋鋼管的安裝,澆筑拱座混凝土,布置拱端錨固塊鋼筋、縱向預應力束管道,澆筑拱端錨固塊混凝土?,F(xiàn)澆橋面板施工應注意伸縮縫的位置和泄水管的位置,橋面安裝應對稱進行,以河道中心線對稱軸,由兩端往橋中心依次澆筑。

4 結構計算分析

4.1 有限元模型建立

為準確分析計算結構真實受力狀況,選用空間有限元軟件Midas Civil對于本結構進行設計計算和分析,并考慮施工階段效應,將結構中的欄桿、水管、橋面鋪裝等附屬結構在計算中以均布荷載代替。在有限元模型中采用梁單元模擬主拱、風撐、橋面板和橫梁;采用桁架單元模擬吊桿,模型節(jié)點共計593個,單元共計900個。整個模型的邊界條件處理是將系梁梁端進行約束,如圖1所示。

圖1 拱橋有限元整體模型

4.2 計算荷載及組合

本次分析計算參照《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60-2004),主要考慮按承載能力極限狀態(tài)設計時作用效應的組合和按正常使用極限狀態(tài)設計時作用效應的組合并選取最不利效應,主要選取的荷載組合如表1所示。

表1 各荷載組合工況的荷載組成

4.3 主拱成橋階段分析計算結果

4.3.1 主拱承載能力極限狀態(tài)分析結果。根據(jù)有限元軟件的分析計算結果,拱橋的主要構件主拱肋、吊桿的驗算結果如下。

(1)主拱肋。拱橋主拱肋的應力分布如圖2所示,主拱肋的最大壓應力為222.8MPa,出現(xiàn)在拱肋兩側拱腳處。構件的整體應力小于《鋼管混凝土拱橋技術規(guī)程》(DBJ/T13-136-2011)里面規(guī)定Q345C鋼材的強度設計值315MPa,主拱肋的強度滿足要求。

圖2 主拱肋應力分布圖(單位:MPa)

(2)吊桿。拱橋吊桿的應力分布如圖3所示,吊桿的最大拉應力為502.7MPa,出現(xiàn)在拱橋中間的吊桿處。吊桿的整體應力小于《鋼管混凝土拱橋技術規(guī)程》(DBJ/T13-136-2011)里面規(guī)定Strand1860鋼材的強度設計值1260MPa,主拱吊桿的強度要求。

圖3 吊桿應力分布圖(單位:MPa)

4.3.2 正常使用極限狀態(tài)分析結果。根據(jù)有限元軟件的分析計算結果,拱橋的各主要構件計算結果如下。

(1)主拱肋及風撐鋼管。拱橋主拱肋鋼管的應力見圖4,鋼管最大壓應力為182.5MPa,出現(xiàn)在拱腳處的主拱肋鋼管;鋼管的最小壓應力為165.4MPa,出現(xiàn)在拱肋中部。主拱肋鋼管拱腳處部分單元的應力小于《鋼管混凝土拱橋技術規(guī)程》(DBJ/T13-136-2011)里面規(guī)定Q345C鋼材的0.8倍強度設計值252MPa,滿足要求。

圖4 主拱肋鋼管應力(單位:MPa)

(2)主拱肋及風撐混凝土。拱橋主拱肋混凝土的應力見圖5,混凝土最大壓應力為18.0MPa,出現(xiàn)在拱腳處。混凝土的整體壓應力小于《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG D62-2004)里面規(guī)定的0.8倍軸心抗壓強度標準值19.4MPa,滿足要求。

圖5 主拱肋混凝土應力(單位:MPa)

(3)吊桿。作用短期效應組合作用下,拱橋吊桿的應力見圖6,最大拉應力為418.7MPa,出現(xiàn)在拱橋中間的吊桿處;鋼管的最小拉應力為366Pa,出現(xiàn)在兩側的吊桿處。拱橋吊桿的應力小于《鋼管混凝土拱橋技術規(guī)程》(DBJ/T13-136-2011)里面規(guī)定strand1860鋼材的0.5倍強度設計值630MPa,滿足要求。

圖6 吊桿應力(單位:MPa)

作用長期荷載組合作用下拱橋吊桿的應力見圖7,最大拉應力為419.8MPa,出現(xiàn)在拱橋中間的吊桿處;鋼管的最小拉應力為366.7Pa,出現(xiàn)在兩側的吊桿處。拱橋吊桿的應力小于《鋼管混凝土拱橋技術規(guī)程》(DBJ/T13-136-2011)里面規(guī)定strand1860鋼材的0.4倍強度設計值504MPa,滿足要求。

圖7 吊桿應力(單位:MPa)

(4)橋面板。拱橋橋面板的撓度和應力見圖8。荷載短期效應組合并考慮荷載長期效應影響下,橋面板最大撓度為27.05mm,小于《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG D62-2004)第6.5.3規(guī)定的L/650=88.62mm,滿足要求。由圖可知,在短期荷載作用下,橋面板最大應力為-0.9MPa,未出現(xiàn)拉應力。在標準荷載作用下,橋面板最大壓應力為12.2MPa,小于《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG D62-2004)第7.1.5規(guī)定的0.5fck=16.2MPa,符合規(guī)范要求。

(b)短期荷載作用下橋面板應力(單位:MPa)

圖8 短期荷載作用下橋面板撓度與應力圖

(5)系梁與橫梁。拱橋橫梁在短期效應組合及標準組合作用作用下的應力分布如圖9、圖10,混凝土最大應力為-3.5MPa,出現(xiàn)在拱橋兩側的橫梁系梁交接處,橫梁未出現(xiàn)拉應力。滿足全預應力混凝土構件不出現(xiàn)拉應力的要求且整體壓應力小于《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG D62-2004)里面規(guī)定的0.5倍軸心抗壓強度標準值16.2MPa,滿足要求。在標準組合作用下,最大壓應力為16.2MPa,滿足規(guī)范要求。

圖9 短期組合下橫梁應力(單位:MPa)

圖10 標準組合下橫梁應力(單位:MPa)

(6)拱橋的撓度。拱橋的整體撓度見圖11,最大的負撓度(向下)為34.3mm,出現(xiàn)在拱橋中間;最大的正撓度(向上)為13.8mm,出現(xiàn)在拱橋的兩端。正負撓度最大絕對值之和為48.1mm,小于《鋼管混凝土拱橋技術規(guī)程》(DBJ/T13-136-2011)里面規(guī)定的最大撓度88.62mm,撓度計算結果滿足規(guī)范要求。

(a)拱橋正向撓度(單位:mm)

(b)拱橋負向撓度(單位:mm)

圖11 拱橋撓度計算結果

5 結束語

依托工程主橋為單跨下承式鋼管混凝土系桿拱橋,其作為現(xiàn)代城市橋梁結構形式較新穎,文章結合實際工程地質,通過合理的結構布置,考慮按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的設計組合并選取最不利效應,通過詳盡的結構計算,驗算得出結構各項技術指標均滿足規(guī)范要求,結構整體和局部構件安全可靠,綜合考慮結構合理性、經(jīng)濟性和景觀性,得出該橋梁應用于城市景觀要求較高的中等跨度橋梁是可行的,該橋的成功實施可為同類橋梁設計計算和施工提供范例。

參考文獻

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作者簡介:陸文超(1976),男,工學碩士、高級工程師,國家一級注冊結構工程師、注冊咨詢工程師,主要從事復雜橋梁結構設計與科研工作。

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