陳 松,周志祥,韋 軼
(重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院,重慶 400074)
鋼箱—砼組合拱橋以鋼箱成拱,在鋼箱不同區(qū)段內(nèi)澆筑混凝土,鋼箱拱肋施工根據(jù)地形、施工條件常見形式有豎轉(zhuǎn)施工、吊裝施工。
鋼箱拱因其獨特的構(gòu)造不僅能夠通過填筑混凝土適應(yīng)結(jié)構(gòu)受力需要,更能廣泛地適應(yīng)施工地形、機械設(shè)備等條件,比常規(guī)拱肋橋具有更靈活的施工方式。依托工程夾灘筍溪河大橋采用兩節(jié)段鋼箱吊裝合攏,合攏時拱頂、拱腳設(shè)置引導(dǎo)鋼筋實現(xiàn)鋼箱對位,通過頂板、底板設(shè)置連接板。錨固螺栓通過連接板上設(shè)置的預(yù)留孔,實現(xiàn)截面合攏,如圖1所示。因此,合理的布置連接板的位置及數(shù)量對合攏時期的安全性及裸鋼箱受力有重要意義。
1.1.1 臨時合攏連接板參數(shù)設(shè)定
鋼箱連接板參數(shù)(如圖2所示),鋼箱頂板和底板臨時焊接連接板個數(shù)均為n1,腹板一側(cè)臨時焊接連接板個數(shù)為n2。
由以上參數(shù)計算圖示可以得到
頂?shù)装暹B接板數(shù)量:n1= (W-2l4)/l3;
單側(cè)腹板連接板數(shù):n2= (H-2l2)/l1;
連接板總面積:A=2(n1+n2)bh。
1)連接板承擔(dān)的軸力和彎矩根據(jù)結(jié)構(gòu)整體剛度計算確定,僅考慮主拱在面內(nèi)的彎矩、軸力。
2)臨時合攏連接板的慣性矩由鋼箱頂?shù)装宓倪B接板和鋼箱腹板連接板提供。
1.1.2 分析推導(dǎo)
1)鋼箱頂?shù)装暹B接板根據(jù)對稱原則簡化布置,其對x軸的慣性矩為
圖1 鋼箱臨時合攏截面
2)腹板連接板按照簡化計算原則,對稱布置計算:
圖2 臨時合攏連接板數(shù)量參數(shù)設(shè)定
整個鋼箱連接板的慣性矩
在壓彎組合狀態(tài)下由截面應(yīng)力計算公式
其中:A= (n1+n2)th,y0=H/2,
可得n1、n2的如下關(guān)系式
式中:N為作用組合在截面產(chǎn)生的軸力,M為作用組合在截面產(chǎn)生的彎矩,H為鋼箱內(nèi)壁凈高度,t為連接板的厚度,h為連接板的高度,l1為腹板連接板的間距,n1為頂板(底板)連接板數(shù)量,n2為一側(cè)腹板連接板數(shù)量。
對于一個確定的鋼箱,已知的參數(shù)有N,M,H,t,h,l1,其中N,M為結(jié)構(gòu)重力、施工荷載及溫度荷載等作用在拱上產(chǎn)生的內(nèi)力。代入相應(yīng)數(shù)值可得一個關(guān)于n1,n2的不等式,通過試算即可確定n1,n2的數(shù)量,其中n1、n2有不同組合形式。
鋼箱吊裝合攏階段采用先拱頂合攏再拱腳,施工過程為:鋼箱兩段起吊→拱頂、拱腳引導(dǎo)就位→拱頂合攏形成兩鉸拱受力體系→拱腳合攏形成無鉸拱。鋼箱拱肋沿曲線長度為53.35m,水平投影長度50m,按照吊點布置位置的連線與鋼箱截面形心在同一豎直面上,并采用吊索的合力作用線通過重心的原則布置吊點,吊點布置于距拱頂17.5m、拱腳9.8m位置。
拱肋吊裝合攏過程中,鋼箱截面錨固工作分散,錨固耗時較長,在此過程只有完整考慮荷載對鋼箱拱肋的作用,才能保證合攏截面連接板計算的安全性。
結(jié)構(gòu)跨中合攏狀態(tài)下,形成兩鉸拱受力體系,所受荷載主要包括自重和施工荷載;結(jié)構(gòu)在拱腳合攏后形成無鉸拱體系,承受溫度荷載等對拱肋的作用。
運用有限元分析程序Midas/Civil,建立主拱有限元模型,根據(jù)施工過程體系的轉(zhuǎn)變,荷載形式的不同,以研究主拱受力行為的變化。
荷載:施工過程中合攏溫度為20℃,分別計算升降溫10℃在鋼箱拱內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)力;
自重:按照材料的容重76.98kN/m3計算。
合攏過程鋼箱拱受力行為變化如圖3~圖6所示。
鋼箱合攏過程中,起吊就位時沿鋼箱截面應(yīng)力較小,兩吊點處截面為起吊階段控制截面。
拱頂合攏后,兩鉸拱體系承受結(jié)構(gòu)自重,拱腳壓應(yīng)力值為6.38MPa,自重在拱內(nèi)各截面引起的應(yīng)力值變化不大。
合攏拱腳后其轉(zhuǎn)化為無鉸拱體系,升降溫10℃狀態(tài)下與自重作用下應(yīng)力疊加,其應(yīng)力值沿橋長方向變化較明顯,L/4處截面位置主要承受軸向力。
根據(jù)不同荷載作用下在拱頂和拱腳引起的內(nèi)力值見表1。
表1 拱頂和拱腳截面內(nèi)力
根據(jù)鋼箱拱肋合攏連接板數(shù)量參數(shù)化公式推導(dǎo),就江津區(qū)夾灘筍溪河鋼箱-砼拱橋拱肋臨時合攏連接板的數(shù)量進(jìn)行計算分析。
連接板幾何參數(shù):H=2074mm、t=10mm、h=100mm、l1=345mm。
按照作用組合Ⅰ和作用組合Ⅱ,可以得到僅含n1,n2的不等式,保證結(jié)構(gòu)安全及滿足經(jīng)濟性條件下n1,n2均為整數(shù),代入數(shù)值在等式中計算,在兩種工況下偏安全取值:拱腳部位n1=3,n2=2,拱頂部位n1=2,n2=2。
在拱腳處按照對稱原則頂?shù)装宸謩e布置3塊連接板,腹板分別布置2塊連接板,則其最不利應(yīng)力可計算得
而在拱頂部位,按照對稱布置原則分別在頂?shù)装宀贾?塊連接板,其最不利應(yīng)力值為
因此,采用該種布置形式,既能保證結(jié)構(gòu)受力需要,又能夠減少施工環(huán)節(jié)措施,實現(xiàn)臨時固定過程的快速安裝,達(dá)到安全、經(jīng)濟的效果。
本文通過鋼箱拱肋的合攏構(gòu)造分析獲得鋼箱拱肋連接板的合理布置依據(jù),以江津筍溪河大橋為例,驗證連接板布置形式的合理性,可為類似工程提供參考。
拱頂連接板合攏后,在自重荷載作用下,按照兩鉸拱受力模型計算是合理的。
拱腳連接板合攏后,在外荷載作用下,應(yīng)按照無鉸拱受力形式計算,與自重作用下的截面應(yīng)力按照疊加原理組合。
自重作用下鋼箱拱以受軸壓為主,而溫度變化在成拱后引起的內(nèi)力變化較大,其壓彎特征明顯。
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