鋼管混凝土拱橋吊桿張拉順序?qū)Y(jié)構(gòu)受力的影響

李 青

(湖州市公路與運(yùn)輸管理中心,浙江 湖州 313000)

0 引 言

城市跨河橋梁較多采用鋼管混凝土拱橋,因其通行和跨越能力大、外型優(yōu)美、造價(jià)低廉、工期較短,深受橋梁設(shè)計(jì)者青睞[1]。鋼管混凝土拱橋是一種主要由梁、拱、吊桿、橋面板組成的組合體系橋[2]。鋼管混凝土拱肋是在鋼管內(nèi)灌注混凝土形成的一種鋼混組合結(jié)構(gòu),這種獨(dú)特的組合方式能充分利用鋼材與混凝土兩種材料的力學(xué)性能,極大地改善結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度和抗變形能力[3]。吊桿是將鋼管混凝土拱橋主梁恒載及橋面活載傳遞給拱肋的重要受力構(gòu)件,其張拉質(zhì)量將直接影響鋼管混凝土拱橋的使用安全及服役年限[4]。為保證結(jié)構(gòu)成橋線形和內(nèi)力滿足設(shè)計(jì)要求,吊桿施工過程中除需嚴(yán)格控制臨時(shí)支架拆除時(shí)機(jī)和吊桿張拉力外,還需進(jìn)行不同吊桿張拉順序下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析,根據(jù)計(jì)算結(jié)果選擇較為經(jīng)濟(jì)合理的吊桿張拉順序,確保大橋施工安全[5]。

1 橋梁概況

新建輕紡城大橋跨現(xiàn)狀蕭紹運(yùn)河,橋?qū)?1 m。主橋采用下承式鋼管混凝土系桿拱結(jié)構(gòu),計(jì)算跨徑為140 m,拱軸線形為二次拋物線,矢跨比為1/5。拱肋斷面形式為四肢全桁式,橫向在機(jī)非隔離帶位置設(shè)置兩片拱肋。拱肋高度為3.5 m,寬2.5 m,上下弦桿采用直徑100 cm厚度24 mm的直縫焊接管,腹桿和普通上下平聯(lián)采用直徑36 cm厚度14 mm的鋼管,吊桿下平聯(lián)采用直徑70 cm厚度18 mm的鋼管。拱肋斷面由上下弦桿通過腹桿和平聯(lián)連接組成,鋼材采用Q345C鋼?？v向四根鋼管內(nèi)灌注C50混凝土,其余均為空鋼管。拱肋間設(shè)置三道桁架式風(fēng)撐,風(fēng)撐弦桿采用直徑40 cm厚度16 mm的鋼管,腹桿和平聯(lián)采用直徑20 cm厚度10 mm的鋼管。系梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu),截面尺寸為高2.8 m,寬2.1 m。預(yù)應(yīng)力鋼束采用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa的高強(qiáng)度低松馳鋼絞線。全橋共設(shè)28道橫梁,其中有兩道預(yù)應(yīng)力混凝土端橫梁,26道預(yù)應(yīng)力混凝土中橫梁。端橫梁采用單箱雙室截面,高度從兩側(cè)2.39 m向中間漸變?yōu)?.8 m;中橫梁為T形截面,高度從兩側(cè)0.85 m向中間漸變?yōu)?.9 m。系梁和橫梁形成整體格構(gòu)梁。吊桿縱橋向間距為5 m,橫橋向中心距為26 m。吊桿采用151根抗拉強(qiáng)度為1 670 MPa、直徑為7 mm規(guī)格的高強(qiáng)度鍍鋅鋼絲。吊桿與拱肋采用下平聯(lián)加勁連接,吊桿與系梁采用預(yù)埋耳板連接。吊桿采用梁端錨固、拱端張拉方式。橋面板采用厚度為30 cm的C55補(bǔ)償收縮混凝土通過吊模現(xiàn)澆,與系梁、中橫梁和端橫梁形成整體。

主要施工工序如下:(1)下部結(jié)構(gòu)施工;(2)搭設(shè)系梁、橫梁臨時(shí)支架,立模,澆筑系梁、橫梁混凝土;(3)張拉系梁、橫梁預(yù)應(yīng)力;(4)搭設(shè)拱肋臨時(shí)支架,安裝拱肋和風(fēng)撐,灌注鋼管拱肋混凝土;(5)拆除拱肋臨時(shí)支架;(6)吊桿第一次張拉;(7)拆除系梁和橫梁臨時(shí)支架;(8)澆筑橋面板;(9)吊桿二次張拉;(10)橋面系及附屬結(jié)構(gòu)施工;(11)吊桿三次張拉。

2 建立有限元模型

輕紡城大橋進(jìn)行有限元模擬分析時(shí),拱肋、系梁、橫梁采用梁單元模擬,橋面板采用板單元模擬,吊桿索采用僅受拉桁架單位模擬。目前鋼管混凝土拱肋組合結(jié)構(gòu)模擬方法主要有三種:換算單元模型、雙單元模型、整體式模型[6]。其中換算單元模型是指依據(jù)剛度等效原則將拱肋混凝土和鋼管簡化為一種材料,通常直接用混凝土梁單元模擬,該單元的總剛度為鋼管和混凝土剛度之和;雙單元模型是指分別考慮鋼管和混凝土兩種材料,拱肋分別建立混凝土梁單元和鋼管梁單元,即相同節(jié)點(diǎn)間建立兩個截面與材料特性完全不同的單元;整體式模型是考慮鋼管和混凝土間的套箍效應(yīng),等效鋼管混凝土組合構(gòu)件為一種材料,通過生成鋼混組合截面建立整體拱肋模型[7]。綜合考慮,輕紡城大橋拱肋選取整體式模型。

鋼管混凝土拱肋采用施工階段聯(lián)合截面法模擬,程序自帶的截面生成器和施工階段聯(lián)合截面功能相互配合,完美解決了鋼結(jié)構(gòu)和填充混凝土聯(lián)合截面共同受力問題,并且可以定義混凝土的受力階段,即在管內(nèi)混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求以前只模擬空鋼管拱肋,管內(nèi)混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求以后采用施工階段聯(lián)合截面的功能來模擬鋼管混凝土拱肋[8]。全橋一個固定支座,一個縱向活動支座,一個橫向活動支座,一個雙向活動支座,系梁邊界條件參照簡支梁約束采用一般支承模擬;臨時(shí)支架采用豎向僅受壓節(jié)點(diǎn)彈性支承模擬;拱和梁固結(jié)、吊桿與拱肋和系梁的連接、橋面板與系梁和橫梁的連接均采用彈性連接里的剛性連接模擬。依據(jù)經(jīng)評審的專項(xiàng)施工方案提供的施工步驟圖進(jìn)行施工階段劃分,精細(xì)模擬整個施工過程,得出結(jié)構(gòu)在施工階段和運(yùn)營階段的應(yīng)力、索力和位移數(shù)據(jù)。施工階段主要考慮結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力、吊桿索力、二期橫載;運(yùn)營階段主要考慮汽車靜活載、混凝土收縮徐變。將全橋離散為2 367個梁單元、52個桁架單位、1 080個板單元、共2 137個節(jié)點(diǎn),有限元計(jì)算模型見圖1。

圖1 主橋midas Civil有限元計(jì)算模型

各材料參數(shù)均按設(shè)計(jì)取值,計(jì)算參數(shù)如下:

(1)拱肋壓漿混凝土、橫梁采用C50混凝土:重力密度γ=26 kN/m3,彈性模量為Ec=3.25×104MPa。

(2)拱腳、系梁采用C55混凝土:重力密度γ=26 kN/m3,彈性模量為Ec=3.55×104MPa。

(3)瀝青混凝土鋪裝層:重力密度γ=24.0 kN/m3。

(4)鋼管拱肋采用Q345C鋼材:重力密度γ=78.5 kN/m3,彈性模量為Ec=2.06×105MPa。

(5)預(yù)應(yīng)力筋采用1860鋼絞線:重力密度γ=78.5 kN/m3,彈性模量為Ec=1.95×105MPa。

(6)吊桿采用1 670成品鋼絲索:重力密度γ=78.5 kN/m3,彈性模量為Ec=2.05×105MPa。

吊桿一次張拉力、二次張拉力、三次張拉力的值見表1。

表1 吊桿索張拉力值 單位:kN

3 吊桿索不同張拉順序下的分析結(jié)果

假設(shè)吊桿分三種張拉順序進(jìn)行模擬計(jì)算,得到三組不同工況下拱肋、系梁變形、內(nèi)力及成橋索力,對比分析結(jié)構(gòu)受力隨吊桿張拉順序改變的變化規(guī)律。

(1)由跨中向兩端張拉:13#吊桿—12#吊桿—11#吊桿—10#吊桿—9#吊桿—8#吊桿—7#吊桿—6#吊桿—5#吊桿—4#吊桿—3#吊桿—2#吊桿—1#吊桿。

(2)由兩端向跨中張拉:1#吊桿—2#吊桿—3#吊桿—4#吊桿—5#吊桿—6#吊桿—7#吊桿—8#吊桿—9#吊桿—10#吊桿—11#吊桿—12#吊桿—13#吊桿。

(3)由兩端和跨中向1/4跨張拉:1#、13#吊桿—2#、12#吊桿—3#、11#吊桿—4#、10#吊桿—5#、9#吊桿—6#、8#吊桿—7#吊桿。

3.1 吊桿索不同張拉順序?qū)Y(jié)構(gòu)變形的影響

3.1.1 吊桿索不同張拉順序?qū)袄咦冃蔚挠绊?/p>

吊桿索不同張拉順序下拱肋變形計(jì)算結(jié)果對比見圖2。

圖2 吊桿索不同張拉順序下拱肋變形值對比

由圖2可知:當(dāng)?shù)鯒U由跨中向兩端張拉時(shí),拱頂位置最大下?lián)现禐?9 mm;當(dāng)?shù)鯒U由兩端向跨中張拉時(shí),拱頂位置最大下?lián)现禐?9 mm;當(dāng)?shù)鯒U由兩端和跨中向1/4跨張拉時(shí),拱頂位置最大下?lián)现禐?0 mm。計(jì)算結(jié)果表明:吊桿由跨中向兩端張拉工況下的拱肋變形和吊桿由兩端和跨中向1/4跨張拉工況下的拱肋變形較為接近,吊桿由兩端向跨中張拉下的拱肋變形最大,且顯著大于前兩種吊桿張拉方案。

3.1.2 吊桿索不同張拉順序?qū)ο盗鹤冃蔚挠绊?/p>

吊桿索不同張拉順序下系梁變形計(jì)算結(jié)果對比見圖3。

圖3 吊桿索不同張拉順序下系梁變形值對比

由圖3可知:當(dāng)?shù)鯒U由跨中向兩端張拉時(shí),系梁跨中位置最大下?lián)现禐?8 mm;當(dāng)?shù)鯒U由兩端向跨中張拉時(shí),系梁跨中位置最大下?lián)现禐?13 mm;當(dāng)?shù)鯒U由兩端和跨中向1/4跨張拉時(shí),系梁跨中位置最大下?lián)现禐?9 mm。計(jì)算結(jié)果表明:吊桿由跨中向兩端張拉工況下的系梁變形和吊桿由兩端和跨中向1/4跨張拉工況下的系梁變形較為接近,吊桿由兩端向跨中張拉工況下的系梁變形最大,且顯著大于前兩種吊桿張拉方案。

3.2 吊桿索不同張拉順序?qū)Y(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

3.2.1 吊桿索不同張拉順序?qū)袄邇?nèi)力的影響

吊桿索不同張拉順序下拱肋拱頂位置最大和最小軸力計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 吊桿索不同張拉順序下拱肋內(nèi)力值對比 單位:kN

由表2可知:吊桿由跨中向兩端張拉相較于另外兩種吊桿張拉方案拱肋的軸力最小。

3.2.2 吊桿索不同張拉順序?qū)ο盗簝?nèi)力的影響

吊桿索不同張拉順序下系梁端部位置最大和最小彎矩計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 吊桿索不同張拉順序下系梁內(nèi)力值對比 單位:kN·m

由表3可知:吊桿由跨中向兩端張拉相較于另外兩種吊桿張拉方案系梁的彎矩最小。

3.3 吊桿索不同張拉順序?qū)Τ蓸蛩髁Φ挠绊?/h3>

吊桿索不同張拉順序下成橋索力(橋面系施工完成狀態(tài)下的索力)計(jì)算結(jié)果見表4,由于結(jié)構(gòu)受力對稱性,僅列出1/4吊桿成橋索力數(shù)據(jù)。

表4 吊桿索不同張拉順序下成橋索力對比 單位:kN

由表4可知,吊桿由跨中向兩端張拉工況下的成橋索力相比于另外兩種吊桿張拉順序最接近設(shè)計(jì)成橋索力。

4 結(jié) 論

采用支架法施工的鋼管混凝土拱橋,可依據(jù)拱肋和主梁的內(nèi)力、變形情況綜合選取吊索張拉順序。以新建輕紡城大橋主橋?yàn)楣こ瘫尘?從吊桿張拉順序?qū)袄吆拖盗鹤冃?、拱肋和系梁?nèi)力、吊桿成橋索力的影響進(jìn)行對比分析,得出以下結(jié)論。

(1)從結(jié)構(gòu)受力角度分析,吊桿由兩端向跨中張拉工況下的拱肋、系梁變形最大;吊桿由跨中向兩端張拉工況下的拱肋、系梁內(nèi)力最小;吊桿由跨中向兩端張拉下的成橋索力最接近設(shè)計(jì)值。

(2)從施工成本角度考慮,吊桿由跨中向兩端張拉僅需4套張拉設(shè)備和4個班組同時(shí)進(jìn)行張拉作業(yè),而吊桿由兩端和跨中向1/4跨張拉則人員和設(shè)備需加倍投入。

(3)綜上所述,從結(jié)構(gòu)受力和施工成本角度綜合對比分析,吊桿由跨中向兩端張拉是最為經(jīng)濟(jì)合理的張拉順序。