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      飛燕式異型鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵問題

      2011-12-20 03:49:24陳銳
      城市建設(shè)理論研究 2011年23期
      關(guān)鍵詞:水化熱預(yù)拱度支架

      陳銳

      摘要: 鋼管混凝土拱橋因其自重輕、強(qiáng)度高、節(jié)省材料、施工方便、造價(jià)低及外形美觀而成為大跨度橋梁的一種主要形式。長春市伊通河大橋是一座在建的三跨飛燕式異型拱橋,總跨度260m,其中主跨為158m的異型鋼管混凝土拱橋。本文介紹了伊通河大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)及施工關(guān)鍵問題;利用考慮應(yīng)力累積的方法計(jì)算了主拱肋的預(yù)拱度,為施工監(jiān)測提供了依據(jù);制定了該橋V構(gòu)箱梁施工的支撐布置方案,并利用有限元數(shù)值程序MIDAS對該方案進(jìn)行了優(yōu)化。

      關(guān)鍵詞:鋼管混凝土拱橋;施工;支架;水化熱;預(yù)拱度

      伊通河大橋工程概況

      102國道跨伊通河橋梁工程是長春市四環(huán)路排水橋梁互通工程的一個(gè)重要組成部分,橋梁總長740m,包括跨伊通河主橋和兩岸引橋。主橋?yàn)槿顼w燕式異型拱橋,跨度組合為51+158+51m,兩岸引橋長度均為240m。該項(xiàng)目道路等級(jí)為城市Ⅰ級(jí)主干道,設(shè)計(jì)車速60km/h。橋?qū)?0m,按雙向八車道設(shè)計(jì),兩側(cè)設(shè)人行道(見圖1)。

      主跨拱肋按構(gòu)造和使用功能分為主拱肋和穩(wěn)定拱肋,二者通過斜撐和橫撐形成空間結(jié)構(gòu)體系(見圖1),增強(qiáng)了飛燕式異型拱橋的藝術(shù)表現(xiàn)力。主拱肋拱軸線是位于豎直平面上的二次拋物線,計(jì)算跨徑158m,矢跨比為1/4.23,拱肋截面采用三根圓鋼管形成的組合截面,內(nèi)灌C50混凝土 [1];兩側(cè)穩(wěn)定拱肋拱軸線均為二次拋物線,計(jì)算跨徑120.5m,拱肋平面內(nèi)的矢高為29.9773m,穩(wěn)定拱平面與豎直平面夾角為21.80。系桿布置在中央分隔帶區(qū)域橋面上,兩端錨固于邊跨混凝土箱梁梁端橫梁處梁頂錨體之上,錨體為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),采用C50混凝土,錨體及拱座處埋設(shè)系桿預(yù)埋鋼管。

      伊通河大橋主橋主跨與兩邊跨形成了三部分的受力主體。在整個(gè)受力體系中,V構(gòu)前腿作為鋼管混凝土拱肋的延伸,承擔(dān)了較大的軸力與彎矩作用;V構(gòu)后腿作為邊跨鋼筋混凝土箱梁的支撐,在與箱梁的交點(diǎn)處承受豎向力的作用。為了平衡拱肋產(chǎn)生的水平推力,伊通河大橋主橋在邊跨混凝土箱梁梁端設(shè)置了6根水平系桿,系桿與主跨、邊跨及主拱墩構(gòu)成拱橋的四個(gè)基本組成部分,在受力過程中相互影響、相互依存。

      由此可見,伊通河大橋主橋設(shè)計(jì)采用三跨飛燕式異型拱橋的結(jié)構(gòu)形式,在美觀新穎的同時(shí)也帶來結(jié)構(gòu)的特殊性與復(fù)雜性。尤其在拱橋施工過程中,結(jié)構(gòu)體系隨著施工方法與施工步驟的變化亦有較大改變,必須對所選施工方案進(jìn)行深入細(xì)致地分析才能保證整個(gè)施工過程安全順利地完成。

      伊通河大橋有限元模型

      本文采用大型通用軟件MIDAS/CIVIL2006建立了伊通河大橋主橋的有限元模型。模型中拱肋、V構(gòu)、承臺(tái)以及樁體均采用梁單元建模,系桿和吊桿采用只受拉桁架桿單元模擬,樁土共同作用則采用彈簧單元考慮。

      V構(gòu)建??紤]了混凝土箱梁截面漸變的特殊形狀(見圖2),箱梁內(nèi)部按設(shè)計(jì)要求配置預(yù)應(yīng)力鋼絞線。鋼管混凝土拱肋截面則利用共用節(jié)點(diǎn)的方法模擬(見圖3),該方法既能保證鋼管和混凝土按相應(yīng)材料本構(gòu)模型輸入,又能確保鋼管混凝土截面可以協(xié)同工作。

      主拱肋預(yù)拱度設(shè)置

      拱肋是拱橋的核心受力構(gòu)件,拱肋線型是影響拱肋受力性能的重要因素[2]。預(yù)拱度是拱軸線計(jì)算的重要依據(jù),是拱肋鋼管在工廠預(yù)制加工的前提條件。只有準(zhǔn)確計(jì)算拱肋的預(yù)拱度,才能保證拱肋在運(yùn)營階段處于合理拱軸線。為了精確地得到拱肋的預(yù)拱度,必須根據(jù)施工過程,考慮應(yīng)力累計(jì)逐步計(jì)算得到拱肋在完成施工后的最終變形,并反推相應(yīng)的預(yù)拱度。

      本文針對伊通河橋拱肋實(shí)際施工方案計(jì)算了拱肋的變形如表1。由表1可見,拱肋在澆注混凝土?xí)r變形最大,為62.3mm;其次是拆除箱梁支架工況,變形為46.2mm。拱頂在施工完成后累積變形(預(yù)拱度)為136.2mm。

      表1各施工工況下主拱肋拱頂變形

      伊通河大橋V構(gòu)施工支架受力分析

      4.1支架計(jì)算模型介紹

      伊通河大橋V構(gòu)采用支架法施工,支架采用Φ299×8的鋼管作為立柱,I45a工字鋼作為縱向傳力梁,立柱與傳力梁焊接形成空間受力體系??v、橫向采用槽鋼連接保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

      根據(jù)實(shí)際施工方案可知,混凝土澆注過程中,混凝土濕重將通過型鋼支架體系傳遞至基礎(chǔ)與拱座。由于V構(gòu)混凝土體積龐大,混凝土自重荷載作用十分顯著,因此支架體系的受力任務(wù)較為艱巨;此外,由于V構(gòu)的造型特殊,混凝土自重荷載將對支架產(chǎn)生較大的水平推力,使型鋼支架體系受力更為復(fù)雜,必須充分作好防護(hù)措施,以保證施工安全順利地進(jìn)行。

      為提高型鋼支架體系的水平剛度,一方面將工字鋼梁與拱座預(yù)埋鋼板焊接以抵抗混凝土澆注時(shí)對支架體系的水平推力,另一方面在傳力梁下部設(shè)置預(yù)應(yīng)力拉索以減輕預(yù)埋鋼板處的拉力。本文利用MIDAS軟件對支架體系進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬,分析了無預(yù)應(yīng)力拉索和施加預(yù)應(yīng)力拉索時(shí)支架體系的受力性能,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果給出了預(yù)應(yīng)力的張拉方案。

      4.2 支架計(jì)算結(jié)果分析

      有無預(yù)應(yīng)力拉索情況下支架受力情況如表2所示。由表2可見,無預(yù)應(yīng)力拉索時(shí)傳力梁端部節(jié)點(diǎn)最大拉力達(dá)到51tonf,較大的拉力易造成該節(jié)點(diǎn)首先破壞,進(jìn)而導(dǎo)致支架體系縱向傾覆。采用預(yù)應(yīng)力拉索后,支架體系的整體受力性能得到明顯改善,傳力梁端部節(jié)點(diǎn)拉力大大降低,且形成了體系承擔(dān)水平荷載的第二道防線,因此該措施效果顯著。為了保證施加預(yù)應(yīng)力時(shí)結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性,建議分級(jí)張拉預(yù)應(yīng)力共60tonf,每次張拉10~20tonf,且在張拉過程中不斷監(jiān)控錨固點(diǎn)變形及傳力梁端部節(jié)點(diǎn)最大拉力。

      表2 有無預(yù)應(yīng)力拉索情況下支架受力情況列表

      結(jié)論

      本文介紹了飛燕式鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)和施工的關(guān)鍵問題,并結(jié)合伊通河大橋分析了V構(gòu)支架受力性能,得到結(jié)論如下:

      1. 鋼管混凝土拱肋的最終變形是拱肋在不同施工階段下變形結(jié)果的累積,因此計(jì)算時(shí)需要考慮施工過程中結(jié)構(gòu)剛度不斷調(diào)整對拱肋變形的影響;

      2. V構(gòu)形狀的特殊性決定了其施工的復(fù)雜程度,尤其是混凝土濕重引起的水平推力更成為了支架設(shè)計(jì)的控制因素;采用預(yù)應(yīng)力拉索改善支架體系的受力性能不但顯著降低了傳力梁端節(jié)點(diǎn)的拉力和支架整體變形,且預(yù)應(yīng)力拉索可以作為體系第二道防線以抵抗水平荷載,提高結(jié)構(gòu)的可靠度;

      注:文章內(nèi)所有公式及圖表請以PDF形式查看。

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