梁勝

(吉首市海昇交通建設(shè)有限責(zé)任公司，湖南 吉首 416000)

系桿拱橋按先梁后拱施工，當(dāng)主梁承受荷載作用時，荷載通過吊桿傳遞給拱肋，使其與主梁共同分擔(dān)荷載，充分體現(xiàn)了梁受彎、拱受壓的受力特點。其獨特性能使其成為土木領(lǐng)域?qū)W者潛精研思的方向，如戴公連等采用有限變形理論，考慮幾何非線性的影響，對連續(xù)鋼管拱系桿拱橋進行了穩(wěn)定性分析；李新平等基于倒拆法和影響矩陣法，利用ANSYS軟件對空間系桿拱橋的吊桿張拉力進行了研究；劉釗基于最小應(yīng)變能原理，對有無約束條件下系桿拱橋的吊桿最優(yōu)內(nèi)力進行了研究；張振偉等對正常使用和承載能力極限狀態(tài)下飛燕式系桿拱橋的靜動力特性進行了分析；黃云等采用基于纖維單元模型的核心砼本構(gòu)關(guān)系，考慮鋼管徑向應(yīng)力梯度影響的套箍效應(yīng)，對灌注拱肋弦管砼工況和成橋運營階段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行了分析。該文以某下承式鋼箱梁系桿拱橋為研究對象，分析其在施工和成橋中的靜力及動力性能。

1 工程概況

賞月路橋位于湖南省長沙市賞月路起點附近，上跨龍王港河道，為跨越龍王港連接梅溪湖西延線與梧桐路的橋梁工程。主橋采用鋼箱梁系桿拱橋結(jié)構(gòu)，引橋采用簡支現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)，跨徑布置為 18 m+78 m+18 m。兩側(cè)懸挑濱河慢行步道，橋面寬度為37.4～46.4 m，為雙向六車道。鋼主梁為兩幅，縱向包括3道腹板和1道外封板的扁平箱梁截面，截面尺寸見圖1。

圖1 單幅鋼主梁跨中橫截面(單位：mm)

主橋采用跨徑為75 m的系桿拱肋，主拱和鋼主梁互相垂直，取二次拋物線為其設(shè)計拱軸線；系桿設(shè)在橋面中央，為鏤空結(jié)構(gòu)，以平衡拱腳推力；雙拱放置在橋面中心，采用工字形橫梁連接，間距3 m，與吊桿對齊；拱肋外腹板設(shè)置裝飾性結(jié)構(gòu)。全橋采用42根蘭格爾體系吊桿，順橋向每相鄰3 m設(shè)置1根吊桿，橫橋向為雙吊桿，拉索采用黑色內(nèi)層、彩色外層雙層結(jié)構(gòu)的高密度聚乙烯護套料。吊桿索拱端為冷鑄錨固體系，梁端為固定端錨具，拱端為張拉端錨具。橋梁的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及立面布置見表1和圖2。

圖2 主橋拱肋立面布置(單位：cm)

表1 橋梁的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 有限元模型建立

采用MIDAS/Civil建立系桿拱橋模型(見圖3)，主梁和拱肋采用梁單元模擬，吊桿采用桁架單元模擬。在拱腳處設(shè)固定支座，視為固結(jié)，主梁和拱肋臨時支架用彈性連接模擬，對模型進行無墩模擬分析。

圖3 系桿拱橋有限元模型

3 靜力特性分析

3.1 成橋狀態(tài)受力分析

選取以下3種荷載組合研究該橋的靜力特性：組合1為恒荷載；組合2為活荷載；組合3為恒荷載+活荷載+溫度荷載。橋梁的恒荷載根據(jù)結(jié)構(gòu)材料及幾何參數(shù)由MIDAS/Civil程序自動加載；汽車荷載采用城市-Ⅰ級；人群荷載按CJJ 11—2011《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》取用，計算值為2.59 kN/m2；溫度荷載以升溫15 ℃計算；吊桿和系桿的張拉力按施工階段通過對桁架單元施加索力實現(xiàn)。各荷載組合作用下系桿拱橋關(guān)鍵截面的位移和內(nèi)力見圖4～6。

由圖4～6可知：1)橋梁結(jié)構(gòu)在承受荷載作用時，結(jié)構(gòu)撓度受到很大影響。由于恒荷載和活荷載的特性，如恒荷載中的自重和二期荷載在結(jié)構(gòu)承受所有荷載中比例較中，而活荷載中的汽車荷載和人群荷載是當(dāng)有車輛或行人通過時才作用到橋梁上，故橋梁遭受恒荷載產(chǎn)生的豎向位移遠(yuǎn)大于活荷載產(chǎn)生的豎向位移；組合3中溫度荷載對橋梁的影響主要是鋼結(jié)構(gòu)的溫度次應(yīng)力和自應(yīng)力，對位移影響較小。2)橋梁承受的內(nèi)力主要是恒載作用產(chǎn)生的，活載產(chǎn)生的內(nèi)力占比很小。3)在3種荷載組合作用下，吊桿內(nèi)力分布規(guī)律符合設(shè)計要求，吊桿所受張力除1#、21#吊桿外，其他吊桿都關(guān)于跨中對稱，1#、21#吊桿由于吊桿計算長度較小，張拉時無法完成張拉受力，導(dǎo)致有所差別。

圖4 3種荷載組合下主梁和拱肋的豎向位移

圖5 3種荷載組合下主梁和拱肋的內(nèi)力(單位：kN)

圖6 3種荷載組合下吊桿的內(nèi)力

系桿拱橋的受力特點主要是主梁承受荷載，隨之通過吊桿傳遞給拱肋，使兩者共同作用，故在吊桿初張拉后索力的施加對橋梁位移和受力均存在影響?，F(xiàn)場對主梁、拱肋位移和應(yīng)力進行監(jiān)測，并與控制值進行對比，施工過程中吊桿索力初張拉完成后主梁位移變化和主梁、拱肋應(yīng)力變化見圖7～10。

圖7 吊桿張拉前后主梁位移變化

由圖7、圖8所知：吊桿初張拉后，吊桿開始傳遞來自主梁的荷載，使主梁呈上撓趨勢，高程隨之變化；由于吊桿的存在，拱肋承受從下到上的荷載，使拱肋受拉，導(dǎo)致拱肋呈下?lián)馅厔荨Ｖ髁荷蠐系淖畲笪灰茷?2 mm，拱肋下?lián)系淖畲笪灰茷? mm，由于該橋主梁和拱肋均為鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)變形較小，兩者均符合要求。

圖8 吊桿張拉前后拱肋位移變化

由圖9、圖10可知：主梁在吊桿張拉后應(yīng)力變化較小，拱肋應(yīng)力變化較大。其原因是主梁在施工過程中主要承受恒荷載和活荷載，經(jīng)吊桿傳遞給拱肋，拱肋承擔(dān)大部分荷載，導(dǎo)致主梁應(yīng)力較小、拱肋應(yīng)力較大，符合下承式系桿拱橋的受力特征。

圖9 吊桿張拉前后主梁應(yīng)力變化

圖10 吊桿張拉前后拱肋應(yīng)力變化

3.2 成橋狀態(tài)承載能力分析

橋梁二期恒載鋪裝完成后，依據(jù)CJJ 11—2011《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》、JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》對橋梁極限承載能力狀態(tài)進行驗算，驗算其是否滿足行車和使用要求。驗算采用2種荷載組合：組合Ⅰ為1.2恒載+1.4汽車荷載+0.75×1.4人群荷載+0.75×1.4整體升溫；組合Ⅱ為1.2恒載+1.4汽車荷載+0.75×1.4人群荷載+0.75×1.4整體降溫。2種荷載組合下橋梁拱肋、主梁應(yīng)力及吊桿應(yīng)力包絡(luò)圖見圖11、圖12。

圖11 拱肋、主梁應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

圖12 吊桿應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

由圖11、圖12可知：極限承載能力狀態(tài)下，橋梁拱肋最大應(yīng)力為154.1 MPa，小于規(guī)范要求的345 MPa；吊桿最大應(yīng)力為772 MPa，小于吊桿的抗拉強度1 770 MPa。橋梁投入使用后其強度和承載能力均滿足設(shè)計要求，驗證了橋梁的安全性。

4 動力特性分析

運用MIDAS/Civil模型進行動力特性研究，只取用前6階頻率及振型，結(jié)果見圖13和表2。

由圖13和表2可知：1)模態(tài)1的自振頻率最高，且隨著模態(tài)的增加，結(jié)構(gòu)的自振頻率減小。橋梁的基本頻率為0.154 Hz，對應(yīng)的周期為6.507 s，表明該系桿拱橋具有橫向剛度不大且結(jié)構(gòu)輕較巧的特性。此外，頻率隨著階數(shù)的增加逐漸加大，對應(yīng)的周期則迅速減小。橋梁振型與衰減速度成反比，振型階數(shù)越高，衰減越快。實際工程抗震設(shè)計中應(yīng)優(yōu)先考慮較低振型。2)系桿拱橋的振型主要有拱肋正反對稱側(cè)彎、主梁正反對稱側(cè)彎。橋梁振型的耦合及復(fù)雜程度隨階數(shù)的增加而增強，主梁振型隨模態(tài)數(shù)的提高呈正反對稱規(guī)律循環(huán)變化。3)橋梁豎向由于吊桿能傳遞拱肋和主梁之間的荷載，三者共同受力，形成完整的梁拱組合結(jié)構(gòu)，使橋梁在承受動荷載時拱肋和吊桿能基本保持同步，拱肋和主梁在自重作用下振動保持相對協(xié)調(diào)。

圖13 橋梁的振型圖(單位：N·mm)

表2 橋梁的自振頻率及振型

5 結(jié)論

(1)在系桿拱橋施工中，主梁、拱肋的變形和內(nèi)力主要承受恒載和活載，溫度荷載對其有所影響。由于溫度受環(huán)境影響較大，現(xiàn)場儀器受限，未及時進行量化，有待進一步研究。

(2)主梁標(biāo)高變化比拱肋明顯，而拱肋應(yīng)力變化比主梁大，這是由系桿拱橋吊桿的傳力作用和兩者的受力特點決定的。

(3)主梁、拱肋及吊桿在極限承載能力狀態(tài)下的動力特性滿足規(guī)范要求。系桿拱橋的動力特性關(guān)系著橋梁的安全性和穩(wěn)定性，前6階頻率和振型計算結(jié)果顯示，隨著階數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)頻率減小，成負(fù)相關(guān)；而結(jié)構(gòu)周期逐漸增大，成正相關(guān)。