供配式蝙蝠式鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)

供配式蝙蝠式鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)

0結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)鳥類模型也被稱為飛燕模型，是一種非常獨(dú)特的波形。它是指兩邊跨為半跨懸臂上承式拱、主跨為中承式鋼管混凝土拱,通過錨固于兩邊跨端部的拉索來平衡主跨大部分水平推力的橋梁結(jié)構(gòu),也有稱自平衡式或自錨式的。飛鳥式橋型降低了平原地區(qū)或軟基地區(qū)拱橋的下部與基礎(chǔ)的工程量與造價(jià),同時(shí)造型美觀,因此受到人們的喜愛。廣東南海三山西大橋是第1座飛鳥式鋼管混凝土拱橋,跨徑組合為45+200+45m,它也是鋼管混凝土拱橋中第1座跨徑上200m的大橋。2000年建成的廣州丫髻沙大橋,跨徑組合為76+360+76m,則把這一橋型,也可以說把鋼管混凝土拱橋的跨徑推上了一個(gè)新臺(tái)階。飛鳥式鋼管混凝土拱橋中的主跨、邊跨、主拱墩及系桿4大組成部分,四位一體,相互影響、相互依存,密不可分,無論哪一部分都無法獨(dú)立存在。飛鳥式鋼管混凝土拱橋總體設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是使這4個(gè)組成部分形成有機(jī)的、受力合理的結(jié)構(gòu)。在大跨徑拱橋中,恒載往往在總荷載中所占的比重很大。因此,在結(jié)構(gòu)總體布置中,應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)在恒載作用下,主拱的受力與固定拱相似、邊跨的受力與半拱結(jié)構(gòu)相似。為此,恒載作用下拱墩結(jié)點(diǎn)的位移與轉(zhuǎn)角應(yīng)該較小,邊拱的彎矩也應(yīng)該較小。飛鳥式拱橋最常見的是3跨結(jié)構(gòu)形式,見圖1。這種橋型的特點(diǎn)是主跨為中承式拱,跨徑較大,矢跨比較大;邊跨為上承式半拱,跨徑較小,矢跨比較小;邊跨的荷載集度較之主跨為大。結(jié)構(gòu)的這些特點(diǎn),為利用邊跨來平衡主跨的水平推力創(chuàng)造了條件。此外,還有邊跨端部的端橫梁,既是飛鳥式拱與引橋聯(lián)系、各拱肋聯(lián)結(jié)和拉索(系桿)錨固的需要,也是平衡主跨水平推力一個(gè)十分有利的條件。對于飛鳥式鋼管混凝土拱橋的受力性能針對具體橋梁進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工的介紹性資料已較多,但對其受力特點(diǎn)進(jìn)行深入分析的還較少,本文將以東莞水道特大橋?yàn)榫唧w分析對象,對這種結(jié)構(gòu)在恒載作用下的受力性能、簡化計(jì)算模型、系桿與樁基的受力特點(diǎn)等問題進(jìn)行分析,以供實(shí)際應(yīng)用參考。1鋼管混凝土組合特性東莞水道特大橋位于廣東省東莞市五環(huán)路,橋梁跨越東莞水道,主橋?yàn)槿?0+280+50m飛鳥式鋼管混凝土拱橋。主拱拱軸線為懸鏈線,計(jì)算跨徑271.5m,計(jì)算矢高54.3m,計(jì)算矢跨比1/5,拱軸系數(shù)為1.5。大橋總體布置圖見圖2。主拱肋采用等截面鋼管混凝土空間桁架結(jié)構(gòu),拱肋全高為5.5m,全寬為2.5m,上下弦管為?1000×16mm的Q345c鋼管,拱腳第1段鋼管壁厚增至?1000×18mm。弦管間橫向綴板為12mm厚的Q345c鋼板。弦管及綴板內(nèi)均填50號微膨脹混凝土形成鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。腹桿為?500×12mm的Q345c的空鋼管。拱肋從拱腳至橋面以上約2m為鋼管混凝土實(shí)心結(jié)構(gòu),全截面用混凝土填實(shí)。邊拱肋為半跨50m拱形結(jié)構(gòu),采用鋼筋混凝土實(shí)心斷面,端橫梁位置斷面尺寸為4.0m×3.19m(高×寬),其他位置為4.0m×2.5m(高×寬)。邊拱端部錨有強(qiáng)大的預(yù)應(yīng)力鋼鉸線系桿。東莞水道橋成橋受力采用ANSYS分析,空間有限元模型見圖3。模型中,主拱肋、邊拱肋、橫梁、橫撐、縱梁、立柱、樁均模擬為Beam4空間梁單元。該橋拱肋為橫啞鈴形截面,拱肋模型中將上(下)弦管、上(下)綴板各設(shè)為一個(gè)單元,則拱肋截面被分為6個(gè)單元。拱肋截面具體的單元?jiǎng)澐智闆r見圖4。吊桿與系桿用只受拉的link10單元模擬。系桿力近似地按張拉力大小作為水平力作用于端橫梁上。橋面系用梁格法處理,采用空間梁單元Beam4模擬。地基土作用用彈簧模擬,地基土的水平抗力用m法計(jì)算。鋼管混凝土拱肋等效為等剛度單一材料單元,鋼管和管內(nèi)混凝土的應(yīng)力根據(jù)剛度分配分別得到。鋼管混凝土組合截面特性按式(1)進(jìn)行計(jì)算:?????ESCASC=ECAC+ESAS,ESCISC=ECIC+ESIS,γSCASC=γCAC+γSAS,(1)式中,E為彈性模量;A為面積;I為慣性矩;γ為容重;下標(biāo)SC、C、S分別表示鋼管混凝土、混凝土和鋼。2恒載作用下的系桿張力及張力飛鳥式鋼管混凝土拱橋的跨徑一般較大,恒載在總荷載中相當(dāng)大的比重,是設(shè)計(jì)中需要考慮的主要荷載,同時(shí)由于恒載的分布接近均布,也使得簡化分析易于實(shí)現(xiàn),因此,本節(jié)著重探討飛鳥式鋼管混凝土拱橋在恒載作用下總體受力的簡化分析。這種簡化分析在進(jìn)行橋梁總體設(shè)計(jì)和初步設(shè)計(jì)時(shí)將起到十分重要的作用。飛鳥式鋼管混凝土拱橋的設(shè)計(jì)有兩個(gè)應(yīng)考慮的問題。一是系桿張力的確定,二是要防止鋼筋混凝土邊拱肋的開裂。恒載作用下,系桿張力為主拱推力與地基土水平抗力之和(差),初步設(shè)計(jì)時(shí),為了估算系桿張力,定出系桿所需的面積,可假定拱腳處的水平位移為零,這時(shí)地基土水平抗力為零。因此,系桿張力等于主拱的水平推力。求得恒載作用下的水平推力T時(shí),可將主拱簡化為三鉸拱(圖5(a)),有以下系桿力估算式T=g1?L218f1,(2)式中,T為系桿力;g1為主拱恒載集度;L1為主跨跨徑;f1為主拱矢高。邊拱的受力行為在恒載作用下應(yīng)為半拱形式,才能最大限度地減小邊拱肋的彎矩,從而避免其因彎拉應(yīng)力太大而導(dǎo)致混凝土的開裂。邊拱肋所受恒載的作用力包括:邊拱恒載g2L2、端橫梁壓重P、邊墩支反力R及系桿拉力T。其中端橫梁壓重往往與邊墩支反力互相抵消(支反力太大時(shí),邊拱恒載也有一部分參與抵消支反力),以避免發(fā)生邊拱端部由于溫降太大所引起的上抬。在邊跨恒載和水平系桿拉力的作用下,拱腳的彎矩最大,邊拱腳下緣混凝土容易開裂。為使邊拱受力合理,令邊拱腳的彎矩為零,這樣邊拱的受力就與一個(gè)半跨三鉸拱的受力相同,見圖5(b),有邊拱彎矩平衡式ΔMo=T?f2?g2?L222=0,(3)式中,ΔMo為邊拱腳彎矩;L2為邊跨跨徑;f2為邊拱矢高;g2為邊拱恒載集度;其他符號意義同前。將式(2)代入式(3)可得g1L218f1?f2?g2?L222=0。(4)式(4)給出了三跨飛鳥式拱在恒載作用下,結(jié)構(gòu)總體受力簡化計(jì)算的基本平衡方程。在這個(gè)方程中,主要變量有主跨跨徑L1、邊跨跨徑L2、主跨矢高f1、邊跨矢高f2、主跨恒載集度g1、邊拱恒載集度g2。在初步設(shè)計(jì)時(shí),可根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)與已建橋梁的資料,確定某些變量,然后應(yīng)用式(4)確定另一些變量。顯然,由于飛鳥式拱的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,影響參數(shù)多,它比一般拱橋的結(jié)構(gòu)擬定要復(fù)雜、更需要經(jīng)驗(yàn),也顯得更為重要。以東莞水道特大橋?yàn)槔?計(jì)算單片拱肋受力情況。該橋中跨跨徑271.5m,矢高54.3m,恒載集度g1=266kN/m,將這些參數(shù)代入公式(2)可算得估算的系桿張力T為4.51×104kN?？臻g有限元計(jì)算的系桿張力為4.44×104kN。由此可見,用公式(2)估算系桿在恒載作用下的張力是可行的。應(yīng)該指出的是,活載作用下拱的水平推力由拱、橋墩和系桿共同承擔(dān),由于系桿抗拉剛度很小,所以水平力主要由拱和墩承擔(dān),這對于拱和墩的受力極為不利,為此一般設(shè)計(jì)時(shí)均考慮系桿張力中除了恒載產(chǎn)生的水平推力外,還加上一半活載作用下拱所產(chǎn)生的水平推力。這樣,公式(2)所估算的系桿力還不能直接作為設(shè)計(jì)的系桿力。以東莞水道特大橋?yàn)槔?該橋的設(shè)計(jì)系桿力是6.1×104kN,比前述估算的系桿力要大30%左右。東莞水道特大橋的邊跨計(jì)算跨徑L2=44.7m,計(jì)算矢高f2=9.1m,恒載集度g2=506.1kN/m。把邊跨參數(shù)和估算的系桿張力T代入公式(3)的左邊,可得,ΔMo=-9.6×104kN·m,說明拱腳有負(fù)彎矩產(chǎn)生,但此時(shí)的拱腳負(fù)彎矩比邊跨作為懸臂曲梁要小很多,僅為懸臂梁彎矩5.06×105kN·m的19%。上述計(jì)算是在邊拱端橫梁與邊墩支反力相等的假定下給出的,實(shí)際上邊跨的恒載自重也有一部分由邊墩承擔(dān),由此邊跨自重在拱腳所產(chǎn)生的負(fù)彎矩要小于作為懸臂梁所產(chǎn)生的負(fù)彎矩(g·L22)/2,因此實(shí)際的邊墩拱腳負(fù)彎矩要比式(3)計(jì)算出來的還要小。換言之,應(yīng)用式(3)作為初步設(shè)計(jì)中的參數(shù)估算是可行的。3系桿受力分析在飛鳥式鋼管混凝土拱橋中,主拱產(chǎn)生的水平推力由系桿、樁基礎(chǔ)與主拱自身承擔(dān)。本節(jié)以東莞水道大橋?yàn)槔?以其有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。東莞水道大橋設(shè)計(jì)施加的系桿張拉力為6.10×104kN,它是主動(dòng)力,這個(gè)力除平衡主拱恒載產(chǎn)生的水平推力4.44×104kN外,還對結(jié)構(gòu)儲(chǔ)備了向著主拱方向的水平力,此時(shí)樁基有朝主拱方向的水平力0.93×104kN?；钶d作用時(shí)主拱產(chǎn)生的水平力,一部分由這個(gè)儲(chǔ)備的水平力平衡,余下的由樁基和系桿(作為構(gòu)件)來承擔(dān)。對于水平推力最大的工況,樁基所承擔(dān)的水平力為0.396×104kN(背離主拱方向),系桿所承擔(dān)的水平力(增量)為0.018×104kN。對于樁基來說,若取消系桿及系桿張力,恒載作用下東莞水道大橋的樁基水平力為3.695×104kN,是有系桿時(shí)的3.97倍;活載作用下,樁基水平力為0.41×104kN,是有系桿時(shí)的1.04倍。顯然,飛鳥式拱由于系桿平衡了拱的水平推力的絕大部分,使樁基所受的水平推力極大地降低,使這種橋型在地質(zhì)條件較差的地區(qū)的應(yīng)用成為可能。從上面的分析也可以看出,對于剛架系桿拱來說,活載作用下拱的水平推力基本由橋墩與基礎(chǔ)承擔(dān),從這個(gè)意義上來說,考慮系桿變形后,剛架系桿拱并不是真正意義上的無推力結(jié)構(gòu)。然而,由于對于大跨度鋼管混凝土拱橋來說,恒載在總荷載中所占的比重很大,除去恒載后橋墩及基礎(chǔ)所需承擔(dān)的水平推力一般來說不大,而且還可以通過適當(dāng)?shù)南禇U超張拉給予最大限度的減小,從這個(gè)角度可以看成無推力拱。對于系桿來說,活載作用下它作為構(gòu)件受力,也參與承擔(dān)了主拱水平推力。然而,由于其抗拉剛度遠(yuǎn)小于墩的抗推剛度,所以系桿只承擔(dān)很小部分的水平力。對于東莞水道大橋來說,系桿的設(shè)計(jì)張拉力為6.10×104kN,而在活載作用下(水平推力最大的工況)所產(chǎn)生的僅0.018×104kN(被動(dòng)力),僅為前者的0.3%,因此在實(shí)際計(jì)算時(shí),當(dāng)跨徑較大時(shí),恒載相對于活載的比例較大,在系桿力的計(jì)算可以忽略活載作用下產(chǎn)生的拉力,只需計(jì)算恒載作用下用于平衡水平推力的拉力。同時(shí),由于系桿的作用主要是以主動(dòng)的張拉力來平衡恒載的水平力,所以它與吊桿或斜拉橋中的拉索受力有很大的不同,通常把系桿看成預(yù)應(yīng)力體外索,而不考慮其疲勞問題。4不同的計(jì)算模型的比較4.1序anasis建模由于飛鳥式鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在進(jìn)行主拱的初步設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),若能將飛鳥式拱橋空間模型簡化為固定拱或平面模型,可大大減小計(jì)算量。因此,本節(jié)采用有限元程序ANSYS建模,除了圖3所示的空間有限元模型外,還建立了兩個(gè)簡化計(jì)算模型——固定拱模型和平面模型,并將簡化計(jì)算模型與空間有限元模型進(jìn)行了比較。以下為簡單起見,用數(shù)字表示這3個(gè)模型:模型1為空間有限元模型(圖3);模型2為固定拱;模型3為平面模型。固定拱模型是把空間有限元模型中的兩個(gè)邊拱刪去,并將主拱肋拱腳處完全固結(jié)而形成的空間模型。平面模型是取空間有限元模型中的一片拱肋(含主邊拱)作為研究對象,無橫向尺寸,橫向荷載通過杠桿法分配到偏載一方的橋面上。4.2模型軸力值對比表1給出3種模型在荷載組合下的全截面計(jì)算內(nèi)力比較。其中,活載取拱腳負(fù)彎矩最大工況下的荷載布置方式。由表1可見,在恒載作用下,固定拱、平面模型的軸力值接近空間模型的計(jì)算值,差別最大的僅3%,在拱腳處。在活載作用下,3種模型軸力值較恒載作用下的計(jì)算值小很多,固定拱軸力值與空間模型的最大差別在拱腳處,后者比前者大11%;平面模型軸力值與空間模型的最大差別在1/4截面處,差別介于26%～63%。在恒活載共同作用下,固定拱、平面模型的軸力值與空間模型的差別均小于5%。因此,在計(jì)算主拱肋全截面軸力時(shí),可將飛鳥式拱簡化為固定拱或平面模型。從上面分析看,3種模型計(jì)算的彎矩值相差較大,因此對于截面彎矩來說,簡化計(jì)算會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。然而,對于桁式肋拱來說,截面的彎矩值最后也是以弦桿軸力為主承擔(dān)的,因此,對于弦桿來說,截面彎矩值的差異會(huì)帶來多大的影響,可不可以采用簡化模型來計(jì)算,詳見下一小節(jié)分析。4.3恒載作用下的軸力為了進(jìn)一步對主拱肋各弦桿截面內(nèi)力進(jìn)行比較,表2給出不同模型主拱外側(cè)上弦桿內(nèi)力差別。荷載組合按1.2×恒載+1.4×活載計(jì),φe表示荷載組合下的偏心率折減系數(shù)(查文獻(xiàn)計(jì)算得出),Nu為弦桿的軸向極限承載力,Nu=φlφeN0?N0=fcAc(1+θ√+θ)?θ=faAa/fcAc?φl=1。由表2可見,在恒載作用下,3種模型的弦桿軸力值相差很小,最大的僅為3%(在拱頂處)。在活載作用下,3種模型軸力值相差較大,固定拱軸力值與空間模型的最大差別在拱頂處,前者比后者大26%;平面模型軸力值與空間模型的最大差別在拱腳處,后者比前者大35%。然而,由于活載產(chǎn)生的弦桿的軸力值與恒載效應(yīng)相比小很多,因此,在恒活載共同作用下,固定拱、平面模型的軸力值與空間模型的差別均小于6%,軸向極限承載力的差別最大也不超過6%。因此,飛鳥式拱在進(jìn)行主拱的初步設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),可以將結(jié)構(gòu)簡化為固定拱或平面模型。5在其它方面的應(yīng)用(1)本文提出了飛鳥式鋼管混凝土拱橋的系桿力估算式與邊拱的彎矩平衡式,以及由兩個(gè)算式得出的三跨飛鳥式拱的簡化平衡方程式,可供初步設(shè)