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        大跨度鋼桁架拱橋關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)研究

        2016-11-04 12:47:43何錦權(quán),羅俊
        中國科技信息 2016年15期
        關(guān)鍵詞:系桿拱橋桿件

        大跨度鋼桁架拱橋關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)研究

        為了研究大跨度鋼桁架拱橋的主要設(shè)計(jì)參數(shù)對結(jié)構(gòu)受力特性的影響,以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),基于珠海橫琴二橋,通過建立具有不同設(shè)計(jì)參數(shù)的有限元模型,對比了不同的支承體系,拱軸線,矢跨比對結(jié)構(gòu)受力、施工難易程度以及經(jīng)濟(jì)性的影響,并確定了大跨度鋼桁架拱橋各項(xiàng)特征參數(shù)的最優(yōu)區(qū)間。研究結(jié)果表明,支承體系和矢跨比對拱橋受力和施工有很大的影響,而拱軸線對結(jié)構(gòu)受力影響較小,其選擇更應(yīng)從結(jié)構(gòu)美觀的角度考慮,相關(guān)結(jié)論可以為同類型的橋梁設(shè)計(jì)提供參考。

        大跨度鋼桁架系桿拱橋外形輪廓美觀,剛?cè)嵯酀?jì),易于與周邊景觀協(xié)調(diào)搭配。鋼桁架系桿拱橋結(jié)構(gòu)桿件多,受力情況復(fù)雜,每根桿件可根據(jù)受力大小而靈活改變鋼型和截面。在進(jìn)行拱橋設(shè)計(jì)時(shí),為了優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力,充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能,有必要對鋼桁架系桿拱橋的約束體系和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究。王福敏、段雪煒在進(jìn)行重慶朝天門大橋設(shè)計(jì)時(shí),對鋼桁拱橋的支承體系做過深入的探討;文基于南京大勝關(guān)橋,對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)的選擇進(jìn)行研究和介紹;文對中承式系桿拱橋的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的研究;蔡健研究了鋼桁架拱橋桿件的穩(wěn)定性和極限承載能力,進(jìn)而探討了鋼桁架拱橋的失效路徑和破壞機(jī)理。

        為了對大跨度鋼桁架拱橋的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)做更深入研究,以確定各項(xiàng)參數(shù)的最優(yōu)區(qū)間,基于橫琴二橋,通過對比約束體系、矢跨比、拱軸線等因素對桿件和基礎(chǔ)受力、對用鋼量和結(jié)構(gòu)安全和施工難度等方面的影響,比選出最優(yōu)方案,以提高結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

        工程概況

        橫琴二橋主橋跨度布置為(100+400+100)m,主拱肋拱軸線下弦為拱軸系數(shù)m=1.6133次懸鏈線,邊拱下弦為半徑R=285m圓曲線,上弦拱頂段采用R=300m圓曲線,并以R=1200m反圓弧與橋面相接于。拱肋下弦矢高90m,拱頂處拱肋上下弦的桁高7m,節(jié)間長度為12m、14m和16m,主桁橫向中心間距36m。采用密縱梁體系疊合混凝土橋面板的橋面系結(jié)構(gòu)形式,橫梁間距12~16m,次縱梁間距4m,預(yù)制混凝土板厚26cm,通過剪力釘及濕接縫與橫梁及次縱梁連接。雙向六車道,設(shè)計(jì)荷載:公路-Ⅰ級,設(shè)計(jì)速度100km/h。

        如圖1所示,全橋有限元模型共劃分為6251個(gè)單元,其中梁單元 3987個(gè),只受拉桁架單元56個(gè),2208個(gè)板單元;主桁架桿件材料采用Q345qD和 Q420qD,橋面板采用C60混凝土橋面板,吊桿和系桿均采用1860MPa鋼絞線。

        圖1 橫琴二橋有限元模型示意圖

        關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)研究

        支承體系參數(shù)研究

        當(dāng)橋型與孔跨布置確定后,邊界條件對結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的受力會(huì)產(chǎn)生較大影響,同時(shí)也會(huì)對支座的選擇和鋼桁架的合攏施工產(chǎn)生影響。拱橋按支承體系可分為三鉸拱、兩鉸拱和無鉸拱,三鉸拱為靜定結(jié)構(gòu),計(jì)算最為簡單,但由于結(jié)構(gòu)整體剛度相對偏小,因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中多采用后兩者。己建成的單跨鋼桁架拱橋基本上采用兩端鉸支的支承條件。為了獲得最優(yōu)的結(jié)構(gòu)支承體系,對本橋分別采用兩種支座體系進(jìn)行對比計(jì)算:

        1.固定鉸-活動(dòng)鉸支座:2#墩左支座采用縱向固定支座,其余各墩均設(shè)置縱向或多向活動(dòng)支座;

        2.固定鉸-固定鉸支座:2、3#墩均設(shè)置鉸支座,其中右側(cè)的支座為橫橋向可活動(dòng),其余設(shè)置多向活動(dòng)支座。支座平面布置示意圖如圖2所示。

        圖2 

        圖3 恒載作用下下弦桿軸力分布

        圖4 溫度荷載作用下下弦桿軸力

        圖5 方案②在溫度荷載作用下轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖

        圖6 結(jié)構(gòu)位移圖

        不同支承體系結(jié)構(gòu)內(nèi)力對比

        在恒載作用下,兩種支座體系下弦桿的內(nèi)力分布如圖3所示,由圖可見:不同的支座方案對拱頂、拱梁結(jié)合處桿件的軸力影響較小,對拱腳位置的桿件影響較大。與活動(dòng)鉸方案相比,雙固定鉸方案中跨側(cè)拱腳處軸力大9778 kN,但邊跨側(cè)拱腳的軸力小28762 kN,這部分力轉(zhuǎn)化為支座反力由支座承擔(dān)。對于活動(dòng)鉸支座方案,系梁需要承擔(dān)結(jié)構(gòu)的水平推力,因此方案②系梁桿件的軸力明顯小于方案①。

        由圖4可見,在溫度荷載(整體升溫30℃)作用下,支座方案②結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力明顯大于方案①, 且對邊跨桿件受力影響較大,這是由于中跨受熱膨脹時(shí)由于雙鉸支座約束,使左右半結(jié)構(gòu)繞各自中支點(diǎn)有轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(圖5),因此導(dǎo)致邊跨支座豎向反力增大,邊跨上弦桿及腹桿產(chǎn)生壓應(yīng)力,下弦桿則產(chǎn)生很大的溫度拉應(yīng)力,最大達(dá)到117.2MPa。

        不同支座體系結(jié)構(gòu)位移對比

        兩支座體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移如圖6所示。由圖可見:活動(dòng)鉸方案允許橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生順橋向位移,在恒載作用下,3#墩處發(fā)生最大的順橋向位移14.5cm,所以活動(dòng)鉸方案主拱拱頂下?lián)衔灰戚^雙固定鉸方案大7.6cm。

        溫度升高30℃時(shí),由于方案①的結(jié)構(gòu)縱向可以自由活動(dòng),因此方案①的水平位移明顯大于方案②,與此同時(shí)由于方案②限制結(jié)構(gòu)的縱向位移,溫升時(shí)方案②產(chǎn)生的豎向位移明顯大于方案①。

        這說明固定鉸支座方案能提高結(jié)構(gòu)的豎向剛度,但兩支座體系的結(jié)構(gòu)剛度都比較大,活載作用下?lián)隙染h(yuǎn)小于1/800的要求,因此剛度不是設(shè)計(jì)控制因素。

        不同支座體系支反力

        恒載作用下兩支座方案產(chǎn)生支座反力如表1所示,因?yàn)榛顒?dòng)鉸方案豎向撓度大于固定支座方案,中跨下?lián)系耐瑫r(shí)使邊跨上拱,因此活動(dòng)鉸方案能減小邊支座的反力,而中跨支座的反力則增大了8484kN,可見邊跨的這部分豎向反力轉(zhuǎn)由拱腳處的支座承擔(dān);而對于雙固定鉸方案,支座需承受35147.9kN的水平推力。

        表1 不同支座方案恒載支反力數(shù)據(jù)(kN)

        由上述分析可見,僅在恒載作用下,兩種支座方案計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移的差別都不大;在溫度荷載作用下,固定鉸支座結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生的附加內(nèi)力明顯大于活動(dòng)鉸方案。但雙鉸支座需要承受水平推力,相比之下活動(dòng)鉸方案支座不受水平推力,施工期間可對結(jié)構(gòu)進(jìn)行位移調(diào)整而不影響結(jié)構(gòu)受力,易于保證成橋線形和受力狀態(tài)。

        矢跨比研究

        矢跨比是拱橋的一個(gè)特征參數(shù),隨著矢跨比的增大,橋梁拱的特性越來越顯著,反之梁的特性越明顯。拱的矢高對結(jié)構(gòu)內(nèi)力、吊桿長度、動(dòng)力特性、剛度和穩(wěn)定性、施工難度以及工程經(jīng)濟(jì)性和橋梁美觀等各方面均存在較大的影響。對于大跨度拱橋,為了達(dá)到較大的跨徑,需要適當(dāng)增大矢跨比,但隨著矢跨比的增大,拱圈部分桿件的長度也隨之增大,增加用鋼量;而減小矢跨比會(huì)增大拱腳的推力,對基礎(chǔ)的要求更高(有推力拱)或者會(huì)增加系梁或系桿的用量(無推力拱)。因此,選擇矢跨比時(shí)應(yīng)綜合考慮各種影響因素。大跨徑鋼桁架拱橋的矢跨可選在1/4~1/6之間,大部分在1/4~1/5之間。

        為研究矢跨比對鋼桁拱橋的影響,保持橋梁孔跨和拱軸系數(shù)不變,改變矢高為66.6m、80m、85m、90m、95m、100m和133.3m,對應(yīng)的矢跨比1/6、1/5、1/4.71、1/4.44、1/4.21和1/3。當(dāng)矢跨比變化時(shí),下弦拱軸上的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)通過m=1.6133次懸鏈線方程計(jì)算得到,懸鏈線方程如式(1)所示:

        其中:

        ε=2x/l

        f——矢跨比;

        m——拱軸系數(shù);

        l——拱橋跨度;

        gd——拱頂?shù)暮爿d集度;

        表2 不同矢高比結(jié)構(gòu)撓度分布

        表3 不同拱軸線對結(jié)構(gòu)受力影響

        不同矢高計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和撓度如表2所示,可見增大矢跨比可以減小拱腳處桿件的軸力,改善結(jié)構(gòu)豎向剛度和梁端轉(zhuǎn)角,但橫向剛度隨之減弱,矢跨比過大也會(huì)使主拱圈拱肋部分鋼材的用量增加,增大建造成本;且對結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力和抗震性能有不利影響,增加施工難度;減小矢跨比會(huì)增加拱的推力,對于有推力拱來說,推力增加對橋梁基礎(chǔ)部分不利,對于無推力拱來說,會(huì)增加系梁或水平拉索的用量;綜合考慮設(shè)計(jì)、制造、施工難度、剛度及行車條件及用鋼量,鋼桁架系桿拱橋的矢跨比取為1/4~1/5是合理的,橫琴二橋的設(shè)計(jì)矢跨比為1/4.44,處于最優(yōu)區(qū)間。

        拱軸線研究

        拱軸線是拱橋概念設(shè)計(jì)中的重要參數(shù),直接關(guān)系到拱肋截面內(nèi)力的大小和分布。選擇拱軸線的原則就是盡可能降低荷載產(chǎn)生的彎矩,當(dāng)設(shè)計(jì)拱軸線為理想拱軸線時(shí),拱肋截面只有軸向壓力而無彎矩作用。但由于活載、溫度變化和材料收縮等因素的影響,這種理想拱軸線實(shí)際中很難獲得。

        對于鋼桁架拱橋,拱肋下弦桿為真實(shí)的拱軸線。為了研究拱軸線對結(jié)構(gòu)的影響,通過改變拱軸系數(shù)m來調(diào)整下弦拱軸線,且盡量保持原結(jié)構(gòu)桿件設(shè)計(jì)長度、重量的不變,調(diào)整上弦拱軸線圓曲線半徑及微調(diào)部分腹桿長度和斜腹桿長度、角度。分別以拱軸系數(shù)m=1.4、m=1.5、m=1.6133,二次拋物線、m=1.7、m=1.8對結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整計(jì)算。

        從表3可以看出,對于鋼桁架拱橋而言,拱軸線對結(jié)構(gòu)的受力影響不大。因此,大跨度鋼桁架拱橋拱軸線的選擇更應(yīng)該從外形美觀、與周圍景觀搭配協(xié)調(diào)、制作和施工方便來考慮。

        結(jié)論

        結(jié)論通過對橫琴二橋的支承體系、系桿類型、矢跨比和拱軸線等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行比較分析,可以得到如下結(jié)論:

        1.僅在恒載作用下,兩種支座方案計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及位移的差別都不大;但雙鉸支座對支座提出非常高的要求;相比之下活動(dòng)鉸方案支座不受水平推力,對基礎(chǔ)、墩臺(tái)等要求較低,施工期間易于調(diào)整結(jié)構(gòu)位移;因此對于多跨鋼桁拱橋,活動(dòng)鉸方案可作為推薦方案;

        2.綜合考慮設(shè)計(jì)、制造、施工難度、剛度及行車條件及用鋼量,鋼桁架系桿拱橋的矢跨比設(shè)計(jì)最優(yōu)區(qū)間為1/4~1/5;

        3.對鋼桁架拱橋而言,在一定范圍內(nèi)調(diào)整拱軸系數(shù)并不能明顯改變結(jié)構(gòu)受力和經(jīng)濟(jì)性,所以鋼桁架拱橋拱軸線的選擇更應(yīng)該從外形美觀、與周圍景觀搭配協(xié)調(diào)、制作和施工方便來考慮。

        10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.15.025

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