黃 毅

(中國中鐵二院工程集團有限責任公司, 四川成都 610031)

超窄橋面鋼管混凝土拱橋關鍵技術研究

黃 毅

(中國中鐵二院工程集團有限責任公司, 四川成都 610031)

平果右江大橋為主跨136m的中承式鋼管混凝土拱橋，橋面寬度僅6m，通過建立空間有限元模型，對結(jié)構靜力和抗風穩(wěn)定性進行計算分析，結(jié)果表明結(jié)構整體剛度及顫振臨界風速均滿足要求，并提出改善剛度的結(jié)構措施，提出結(jié)構扭彎頻率比和梁寬為影響顫振穩(wěn)定的關鍵參數(shù)。

鋼管混凝土拱橋; 整體剛度; 顫振穩(wěn)定性; 扭彎頻率比; 梁寬

廣西平果右江大橋為中承式鋼管混凝土拱橋，拱肋計算跨徑136m，矢高27.2m，矢跨比1/5。拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)1.8。大橋為鋁土礦運輸專用橋梁，拱肋采用啞鈴形斷面，高度1.5m，由上下兩根直徑60cm的鋼管組成，鋼管之間由腹板連接。鋼管及腹板內(nèi)灌注C50微膨脹混凝土。兩側(cè)拱肋中心距5.5m，拱肋之間設置四道“一”字形橫撐、八道“K”形撐及兩道“米”形撐。全橋共設有12對吊桿，縱向間距8m。橋面系寬6m，由橫梁、預制橋面板和后澆層共同組成，橫梁與吊桿連接，橫梁上縱向鋪設預制小Π梁。大橋總體布置如圖1所示。

圖1 橋梁總體布置(單位：cm)

1 有限元分析模型

采用MidasCivil有限元程序建立了該橋的三維空間有限元模型，模型單元數(shù)為1 742，節(jié)點數(shù)為845，主橋拱肋和立柱采用梁單元模擬，橋面縱、橫梁采用梁格法劃分，吊桿采用只受拉的桁架單元模擬?？臻g有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元計算模型

2 關鍵技術問題

2.1 結(jié)構剛度

本橋為鋁土礦專用運輸橋梁，使用荷載較輕，主要包括運輸設備荷載1.7kN/m，鋁土礦1.6kN/m，雙側(cè)檢修人行道荷載3.5kN/m。但運營狀態(tài)下運輸機設備對結(jié)構變形要求比較嚴格：(1)運輸機每個基礎上預埋鋼板的平面度誤差應不大于5mm；(2)每個基礎整體的沉降量支柱基礎為不大于20mm，支腿基礎為不大于5mm；(3)輸送機線路上每個基礎的相對位移量為24m長度范圍內(nèi)應不大于25mm；(4)帶式輸送機在橋面中心位置最大允許橫向振動150mm。因此本橋在滿足承載能力要求的前提下，必須嚴格控制橋面變形，滿足運輸設備要求。設計主要采用灌注鋼管混凝土和鋪設整體橋面系兩方面措施提高結(jié)構剛度。

2.1.1 鋼管混凝土

對拱肋灌與不灌管內(nèi)混凝土進行分析計算，考慮以下三種計算工況：(1)半跨滿布鋁土礦荷載；(2)全跨滿布鋁土礦荷載；(3)橫向風力荷載。橋面結(jié)構的豎向位移及一階穩(wěn)定系數(shù)如表1、表2所示。

表1 豎向位移匯總 mm

表2 一階失穩(wěn)模態(tài)及穩(wěn)定系數(shù)

結(jié)構采用純鋼管截面形式時，在半跨鋁礦荷載下，橋面在24m長度范圍內(nèi)的豎向變形差值為40mm，不滿足設備要求的不大于25mm的要求；灌注管內(nèi)混凝土后，結(jié)構剛度明顯提高，上述變形差值僅為15.1mm。結(jié)構采用純鋼管截面形式時，橫向風作用下，橋面扭轉(zhuǎn)引起的一組支腿在橫向兩個支點處的最大豎向位移差為4.6mm，接近設備要求的平面度誤差不大于5mm的要求；灌注管內(nèi)混凝土后，上述變形差值僅為2.4mm。

從一階失穩(wěn)模態(tài)也可看出，空鋼管截面結(jié)構豎向剛度明顯較弱，一階穩(wěn)定系數(shù)僅為4.0，灌注鋼管混凝土后提高至11.7。綜上考慮結(jié)構采用鋼管混凝土截面形式。

2.1.2 整體橋面系

整體橋面系由吊桿、橫梁、縱梁組成。橫梁為矩形截面，寬70cm，高60cm，長度6m?？v梁為Π形截面，梁高35cm，頂板厚10cm，肋寬30cm，縱向長度7.2m。拱肋吊裝合龍后，安裝吊桿和橫梁，然后從跨中和兩側(cè)相向、對稱吊裝縱梁，形成縱橫梁橋面體系?？v梁橫向分為兩片，預留50cm縱向濕接縫?？v梁斷面如圖3所示。

圖3 縱梁斷面(單位：cm)

縱梁端部直接擱置在橫梁上，預留30cm橫向濕接縫。全橋縱梁吊裝完畢后，澆筑縱、橫向濕接縫，使縱、橫梁連接形成整體。再澆筑10cm的橋面整體后澆層，完成橋面系施工。最后施工C40纖維混凝土橋面鋪裝層。通過將縱橫梁連接形成整體橋面系，提高橋面系剛度，改善橋面變形，滿足運輸使用要求。

2.2 抗風穩(wěn)定性分析

本橋為鋼管混凝土結(jié)構，橋面系及拱上立柱均為鋼筋混凝土結(jié)構，整體剛度較大，幾何非線性問題并不突出，因此靜力抗風穩(wěn)定性不存在問題。但由于使用功能對橋面寬度要求較小，橋面寬度只有6m，而拱肋跨度136m，寬跨比達到1/22.7，屬于典型的窄橋，必須重視橫風顫振穩(wěn)定問題。為了研究影響抗風穩(wěn)定的主要因素并優(yōu)化參數(shù)，本文分析仍套用適用于流線型截面的古典耦合顫振檢算公式，其研究結(jié)果仍然可以在一定程度上反映大橋的抗風顫振穩(wěn)定問題。

2.2.1 顫振穩(wěn)定的分析方法

1935 年，Theodorson首先從理論上研究了薄平板的空氣作用力，用勢能理論求得了作用于振動平板上的非定?？諝饬Φ慕馕霰磉_式。1976 年，VanderPut提出了平板顫振臨界風速Vcr的簡化計算公式[1]：

(1)

(2)

式中：Vco為臨界風速(m/s)；Vcr為考慮形狀系數(shù)折減后的臨界風速(m/s)；ε為扭彎頻率比，ε=ωt/ωb，ωb為抗彎基頻，ωt為抗扭基頻；μ為橋面質(zhì)量與空氣的密度比，μ= m/(πρb2)，ρ= 0.125kg/m3，m為橋面每延米的質(zhì)量；r/b為橋面慣性半徑比，r=(Im/m)1/2，Im為橋面每延米質(zhì)量慣性矩(kg×m2/m)，b為梁半寬(m)；ηs、ηα為形狀系數(shù)，本橋梁部寬高比達到12，可近似看作平板，取ηs=1，ηα=1。

通過計算，得到該橋的自振頻率和振型，結(jié)果如表3所示。

計算結(jié)果表明，該橋第一階振型固有頻率達到0.469Hz，表明其整體剛度較大。相對而言，該橋的側(cè)向剛度要弱一些，第一階振型首先發(fā)生了平面外正對稱側(cè)彎, 拱肋與橋面系的面外撓曲剛度小于豎向撓曲剛度, 表現(xiàn)出較為明顯的窄橋特征。在風荷載作用下，橋梁的橫向振動要大于豎向和扭轉(zhuǎn)方向。

表3 自振頻率和振型描述

與顫振計算相關的是第二階豎彎基頻0.525和第五階扭轉(zhuǎn)基頻0.874，利用VanderPut計算公式可得顫振臨界風速Vcr=44.2m/s。橋址處設計風速Vd=28m/s，風速的脈動影響及水平相關特性的修正系數(shù)μf=1.4，考慮到本橋設計使用壽命僅為30a，結(jié)構重要性程度較低，取0.9倍折減系數(shù)，由公路抗風設計規(guī)范可得成橋狀態(tài)的顫振檢驗風速為：

(3)

顫振臨界風速Vcr>[Vcr]，滿足抗風穩(wěn)定要求。

2.2.2 提高顫振穩(wěn)定的結(jié)構參數(shù)研究

從VanderPut計算公式(1)分析可知，豎向彎曲頻率對結(jié)構顫振穩(wěn)定具有不利影響。扭彎頻率比可以提高顫振臨界風速，對顫振穩(wěn)定起有利作用。梁寬也是影響臨界風速的一個因素。因此將扭彎頻率比ε和梁寬B作為兩個結(jié)構參數(shù)，研究其對結(jié)構顫振臨界風速的影響。

計算采用鋼管內(nèi)灌注拱腳部分混凝土的方式改變結(jié)構剛度，提高扭轉(zhuǎn)基頻并對豎向基頻影響相對較小，從而提高扭彎頻率比。同時增加梁寬，考察其對臨界風速的影響。結(jié)果如表4所示。

計算結(jié)果表明：

(1)橋面梁寬均為4.6m時，灌注拱腳段混凝土后結(jié)構扭彎頻率比ε有所增加，顫振臨界風速相應提高。橋面梁寬均為6m時具有同樣的規(guī)律；

(2)拱肋不灌注混凝土，為純鋼管結(jié)構時，梁寬由4.6m增加到6m，間接提高了扭彎頻率比，顫振臨界風速相應提高。拱肋灌注拱腳段混凝土時具有同樣的規(guī)律。

3 結(jié)論

平果右江大橋具有使用荷載輕、橋面變形要求嚴的特點，大橋設計受剛度控制。同時橋面寬度極窄又帶來橫風顫振穩(wěn)定問題。通過對大橋進行動靜力計算分析，得出以下結(jié)論：

表4 扭彎頻率比及梁寬對臨界風速的影響

(1)采用灌注管內(nèi)混凝土和形成整體橋面系的結(jié)構措施，可以極大的提高結(jié)構整體剛度，改善橋面變形。

(2)對于橋面寬度窄、橋面板厚度薄的此類結(jié)構，必須進行橫向風顫振穩(wěn)定計算，保證結(jié)構顫振臨界風速大于檢驗風速。

(3)提高結(jié)構的扭彎頻率比，能夠有效地改善顫振穩(wěn)定問題，同時適當?shù)脑黾訕蛎鎸挾纫彩怯欣摹?/p>

[1] 項海帆．現(xiàn)代橋梁抗風與實踐[M]．北京：人民交通出版社，2005

[2] 李國豪．橋梁結(jié)構穩(wěn)定與振動[M]．北京：中國鐵道出版社，2003

[3]JTG/TD60-01-2004 公路橋梁抗風設計規(guī)范[S]

[4] 項海帆，林志興．大跨度橋梁顫振穩(wěn)定性的簡化判別[J]．同濟大學學報，1994，22(4)：409-414

黃毅，男，工程師，研究方向為橋梁工程、鐵路大跨橋梁結(jié)構。

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[定稿日期]2014-07-10