100m跨下承式鋼管混凝土系桿拱橋設(shè)計

（核工業(yè)西南勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610052）

1 工程概述

某大橋的主橋跨Ⅶ級通航孔而設(shè)，采用100m 跨下承式鋼管混凝土系桿拱橋，橋面寬度22.3m，設(shè)置雙向四車道，橫向采用兩平行拱肋，啞鈴型截面。拱軸線型采用二次拋物線，計算矢高20m，矢跨比1/5。主橋立面布置見圖1。

圖1 主橋立面布置圖（單位：cm）

2 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）公路等級：三級公路

（2）設(shè)計時速：30km/h

（3）設(shè)計荷載：汽車荷載：公路-Ⅰ級；人群荷載：3.0kN/m2

（4）場區(qū)地震基本烈度：6 度；地震動峰值加速度：0.05g

（5）結(jié)構(gòu)安全等級：一級

3 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 上部結(jié)構(gòu)

（1）主橋拱肋按照平行布置，采用啞鈴型截面，上鋼管與下鋼管均采用φ1100×16mm 鋼管，鋼管間距1.5m，腹板采用16mm 厚鋼板，間距0.6m，鋼管及腹腔內(nèi)均填充C50 低收縮微膨脹混凝土。

（2）在拱肋之間設(shè)置1 道一字型橫撐及4 道K 字型橫撐。橫撐均采用φ1100×16mm 鋼管，空心結(jié)構(gòu)。

（3）縱向系桿采用預(yù)應(yīng)力混凝土A 類結(jié)構(gòu)，系桿全長103.2m，跨中梁高2.0m，梁寬1.5m，采用空心箱室截面。端部系桿為鋼管拱腳錨固進行局部加寬加高。

（4）橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土A 類結(jié)構(gòu)，中橫梁采用T 型截面，端橫梁采用空心箱室截面。橫梁梁頂沿長度方向設(shè)置2%的人字坡，梁底保持水平。

（5）橋梁橋面板采用預(yù)制板后澆筑濕接縫的形式，橋面板板厚0.3m，矩形截面。預(yù)制板縱向放置于橫梁上，與中橫梁及端橫梁預(yù)留豎向鋼筋澆筑形成整體。在板頂預(yù)留橋面鋪裝層連接鋼筋，橋面鋪裝鋼筋與預(yù)制板鋼筋、橫梁預(yù)留鋼筋綁扎后澆筑橋面鋪裝混凝土。

3.2 下部結(jié)構(gòu)

主橋下部結(jié)構(gòu)采用L 型蓋梁柱式墩，基礎(chǔ)采用承臺群樁基礎(chǔ)，設(shè)計為嵌巖樁。

3.3 主體結(jié)構(gòu)施工

河道現(xiàn)狀通航流量小，且施工期可禁航，為節(jié)約建設(shè)成本，主橋系桿、橫梁及拱肋鋼管安裝均采用支架法予以實施。

4 結(jié)構(gòu)計算

4.1 拱肋結(jié)構(gòu)靜力計算與分析

（1）有限元模型及荷載

采用通用有限元程序MidasCivil 進行總體計算，根據(jù)對鋼管混凝土截面的模擬方式，分別采用啞鈴型聯(lián)合截面法梁單元[1]及鋼構(gòu)件、混凝土雙單元雙肢截面法建立有限元分析模型。啞鈴型截面的腹腔不計入截面受力，僅按自重荷載施加。大直徑鋼管混凝土約束效應(yīng)差、影響因素多，所以不考慮鋼管套箍作用下混凝土抗壓強度的提高[3]。

圖2 聯(lián)合截面法拱肋模型

圖3 雙單元雙肢截面法拱肋模型

計算荷載如下：鋼材容重78.5kN/m3，混凝土容重26kN/m3，按實際截面計取，瀝青砼容重24kN/m3，橋面鋪裝層按荷載施加；環(huán)境升降溫按±25℃施加，橋面溫度梯度荷載T1=14℃，T2=5.5℃；系桿溫度梯度荷載T1=25℃，T2=6.7℃；啞鈴型截面上下主管溫差按照8℃計算；采用公路-Ⅰ級汽車荷載，按4 車道計算；人群荷載集度3.0kN/m2；風(fēng)荷載按照百年一遇基本風(fēng)速24.1m/s進行計算；有關(guān)荷載組合依據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）的規(guī)定。

（2）靜力計算結(jié)果

列出了拱肋在兩種建模方式下的結(jié)果對比，見表1。分析可知，組合后雙單元雙肢截面法拱肋剛度較聯(lián)合截面法的剛度小；同時，雙單元雙肢截面法在模擬中增加了附加約束而造成了一部分的附加應(yīng)力，最終導(dǎo)致了計算結(jié)果相對偏大。由于約束增加而造成附加應(yīng)力，主要表現(xiàn)在體系升降溫及截面溫度梯度作用時，因此采用雙單元分析時，應(yīng)注意慎重對待溫度荷載計算結(jié)果。

表1 拱肋兩模型計算結(jié)果

另外，橋梁承載能力極限狀態(tài)吊桿應(yīng)力587.2MPa，正常使用極限狀態(tài)系桿截面最大拉應(yīng)力0.786MPa，橫梁截面均處于受壓狀態(tài)，截面承載能力極限狀態(tài)各構(gòu)件作用效應(yīng)組合設(shè)計值均小于構(gòu)件承載力設(shè)計值。因此該橋各構(gòu)件正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)均滿足規(guī)范要求。

4.2 拱腳節(jié)點局部受力分析

采用MidasFEA 有限元分析軟件，根據(jù)圣維南原理對拱腳局部節(jié)點段建立三維實體分析模型。有限元模型采用四面體網(wǎng)格單元，有限元模型總共69884 個單元，20907 個節(jié)點。

分別對①拱腳軸壓力最大工況；②拱腳負彎矩最大工況；③系桿端部軸力最小工況；④系桿端部彎矩最大工況四種最不利荷載工況進行包絡(luò)驗算，得到系桿部位最大正應(yīng)力6.5MPa，為工況一；拱座最大主拉應(yīng)力2.4MPa，為工況四；拱座最大主壓應(yīng)力16.7MPa，為工況三。

圖4 工況四 主拉應(yīng)力云圖

圖5 工況三 主壓應(yīng)力云圖

設(shè)計中，根據(jù)節(jié)實體分析結(jié)果，按照應(yīng)力圖形配筋法[5]對拱腳圓弧變截面位置主拉應(yīng)力較大區(qū)域進行了配筋設(shè)計。

3.3 穩(wěn)定性計算與分析

一般對于跨度大于300m 的鋼管混凝土拱橋，采用二類非線性穩(wěn)定分析，本文的計算分析中以一類彈性穩(wěn)定分析為主?？紤]到拱肋鋼管安裝及灌注在支架法條件下實施，僅對結(jié)構(gòu)在運營階段恒載、活載、溫度等荷載作用下，進行了穩(wěn)定分析，結(jié)果如下表所示。

表3 運營工況下的穩(wěn)定系數(shù)及失穩(wěn)特征

對于下承式拱橋，當(dāng)拱肋側(cè)傾時，柔性吊桿會對其產(chǎn)生水平恢復(fù)力，有抑制拱傾斜的作用，這種非保向力會有效提高拱肋穩(wěn)定性[2][4]?；诜€(wěn)定分析結(jié)果，可以認為橋梁結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定滿足要求。

5 結(jié)語

（1）鋼管混凝土材料應(yīng)用于以受壓為主的構(gòu)件中，鋼管內(nèi)的混凝土能有效阻止鋼管向內(nèi)變形，增強鋼管抵抗局部屈曲能力，組合截面整體剛度增大，整體穩(wěn)定性也大幅提高，較之鋼構(gòu)件和混凝土構(gòu)件均有很大的優(yōu)越性。

（2）對啞鈴型鋼管混凝土拱肋分別采用了聯(lián)合截面法與雙單元雙肢截面法進行了模擬，通過驗算對比顯示雙單元雙肢截面法計算結(jié)果略偏大，主要由于在拱肋結(jié)構(gòu)中增加了附加約束造成應(yīng)力增加。

（3）通過建立拱腳局部三維實體分析模型，分析構(gòu)件不利主應(yīng)力區(qū)域，并通過設(shè)計配筋予以加強。拱腳連接節(jié)點多向荷載共同作用，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，設(shè)計時應(yīng)予以重視。

（4）應(yīng)注意拱橋在建造過程與運營階段的失穩(wěn)問題。合理設(shè)置橫撐的布置形式及實施階段，能有效提高全橋的空間彈性一類穩(wěn)定性。