林來玉,俞 超,陳健圣
(上海新暢園林市政建筑工程有限公司,上海市 201204)
拱橋在中國歷史悠久,由于其結構形式多樣、造型美觀、剛度較大等特點,長期以來一直是主要橋型之一。即使在橋型選擇日益豐富的近30年大建設時期,拱橋在中國仍有大量修建,并在設計、施工等方面取得了舉世矚目的成績。按照主拱的建筑材料劃分的四類拱橋的跨徑紀錄均在中國,分別是主跨徑146 m的山西丹河新橋(石拱橋)、主跨徑420 m的萬州(縣)長江大橋(鋼筋混凝土拱橋)、主跨徑460 m的巫峽長江大橋(鋼管混凝土拱橋)和主跨徑552 m的重慶朝天門大橋(鋼拱橋)。在拱橋施工技術方面,世界上各種拱橋施工方法在中國幾乎均有應用,其中水平轉體施工、大跨徑和大噸位的懸臂拼裝等技術為中國特有的施工技術[1~2]。隨著社會發(fā)展與橋梁技術水平的提高,曾經是主要橋型的石拱橋日益減少,鋼拱橋、鋼管混凝土拱橋和混凝土拱橋(包括鋼筋混凝土拱橋和預應力混凝土拱橋)已成為中國近幾十年來的三大主要橋型。
本文介紹的樣本橋梁為大跨度中承式跨運河的鋼拱橋,由主拱、主梁、鋼螺桿、吊桿幾部分組成,跨徑布置為(30+25+210+25+30)m,主橋立面布置圖如圖1所示。主跨分為主次梁,形成縱橫平面梁格,邊跨為整體正交異性鋼箱梁。由于邊跨上拔力較大,此處設鋼螺桿,邊跨箱梁內部灌有混凝土起到壓重作用[3~5]。主跨跨度較長,邊跨較短,邊跨的上撓比較大,此處的鋼螺桿起到了關鍵作用,因此也成為全橋的生命線。本文主要通過對復雜鋼拱橋的介紹,分析鋼螺桿的作用,為此類橋梁的建造提供技術支撐。
圖1 橋梁布置圖(單位:m)
大橋的鋼螺桿采用箱型截面,螺桿的鋼板厚度為120 mm,兩側各設置四道,位于主次梁的位置,其端部采用銷鉸構造與梁體及基礎預埋鋼板連接,用來承受軸向拉力和壓力。螺桿處基礎采用承臺加抗拉拔樁形式,螺桿樁基擬每樁在合適的土層處采用多支盤護孔樁加強其抗拔力,在相應承臺基礎內設置PBL剪力鍵埋入式柱腳構造,以利傳遞較大的拉力及剪力。鋼螺桿的結構構造如圖2所示。
根據螺桿構造圖,按照鋼結構規(guī)范的穩(wěn)定計算得到,鋼螺桿的最大抗拉能力為1 000 t,最大抗壓能力為700 t。
根據設計圖紙和相關參數,采用有限元軟件Midas/Civil建立的全橋計算模型,如圖3所示。計算模型共有2 420個節(jié)點、3 430個單元,主拱和主梁固結。鋼螺桿上端與主梁共節(jié)點,下端6個自由度全部固定。斜撐頂節(jié)點與主梁剛性連接,斜撐底和拱腳底共節(jié)點。大橋一側拱腳固結,另一側拱腳釋放縱橋向約束。
圖2 鋼螺桿構造圖(單位:mm)
圖3 計算模型圖
大橋采用了大噸位鋼螺桿結構,這種特殊結構的受力性能將直接影響全橋的受力性能。本文通過建立兩種受力狀態(tài),即橋梁不設置螺桿和橋梁設置四根螺桿,來分析鋼拱橋鋼螺桿的作用。
通過模型計算結果可知,當橋梁設置鋼螺桿時,在一次成橋狀態(tài)下,邊跨外側支座反力為111 t,內側支座反力為194.9 t,均受壓;當橋梁不設置螺桿時,在一次成橋狀態(tài)下邊跨外側支座反力為23.6 t(受壓),內側支反力為-24.5 t(受拉)。由此可見,在橋梁設計荷載作用下,邊跨將出現較大的負反力,常規(guī)的抗拉支座難以實現,所以需要在邊跨設置螺桿來承受支座負反力。
通過模型計算得到一次成橋狀態(tài)下斜撐頂附近的主梁彎矩,如圖4所示。
圖4 兩種受力狀態(tài)下斜撐頂附近主梁彎矩(單位:kN·m)
由圖4可知,在兩種受力狀態(tài)下,設置螺桿和不設置螺桿斜撐頂附近主梁彎矩Mx和Mz數值較小且接近,但是不設置螺桿時主梁的彎矩My比設置螺桿時要大很多,所以設置螺桿可以有效的降低斜撐頂附近的主梁彎矩。
全橋成橋階段整體彈性穩(wěn)定分析共考慮恒載和恒載+風荷載兩種工況。橋梁設置螺桿和不設置螺桿狀態(tài)下兩種工況的失穩(wěn)模態(tài)和穩(wěn)定系數見表1。橋梁設置螺桿和不設置螺桿狀態(tài)下兩種工況的一階失穩(wěn)圖如圖5~8所示。
表1 兩種狀態(tài)下兩種工況的失穩(wěn)模態(tài)和失穩(wěn)系數
圖5 不設置螺桿時恒載全橋一階失穩(wěn)圖
圖6 設置螺桿時恒載全橋一階失穩(wěn)圖
圖7 不設置螺桿時恒載+風荷載全橋一階失穩(wěn)圖
圖8 設置螺桿時恒載+風荷載全橋一階失穩(wěn)圖
由表1和圖5~8可知,當設置螺桿時全橋整體彈性穩(wěn)定性增強,穩(wěn)定系數提高。因為主拱和主梁固結,主拱的穩(wěn)定就要求主梁的扭轉角度很小。設置螺桿時可以約束主梁的扭轉,從而提高全橋的整體穩(wěn)定性。
在一次成橋狀態(tài)下,螺桿的位置對全橋受力的影響共考慮三種工況:
(1)設計位置外移2.1 m;(2)原設計位置;
(3)設計位置內移3 m。
三種工況下拱肋、拱間橫連、拱腳拱箱、主次縱梁和斜撐的應力見表2。
表2 三種狀況下各受力構件應力包絡表 MPa
由表2可以看出螺桿處于不同位置時對橋梁各構件的應力的影響。當螺桿布置得與斜撐靠近,拱肋、拱間橫連和主次縱梁的應力就越低,拱腳拱箱和邊斜撐的應力就會增加;而中斜撐的應力最大值增加,應力最小值降低。螺桿布置得太近,拱腳拱箱和邊斜撐在強度設計上便難以滿足規(guī)范要求,而且構造上沒有足夠的空間,不易實現;當螺桿布置得太遠,拱肋、拱間橫連和主次縱梁的應力增加較多,用鋼量就越大,橋梁的自重就越大。
根據模型的計算結果,三種工況下螺桿內力如圖9所示。
圖9 三種工況下螺桿內力圖(單位:kN)
由圖9可以看出,當螺桿布置與斜撐越近,螺桿所起的作用就越直接,螺桿力越大。
通過模型計算得到三種工況下的吊桿力的最大值與最小值,見表3。
表3 三種狀況下吊桿力極值 kN
由表3可知,當螺桿布置與斜撐越近,吊桿力越小。三種工況下吊桿力的最大值和最小值都比較接近,但是由模型結果得到第1種工況與第2種工況吊桿力的最大差值為7.6 kN,第3種工況與第2種工況吊桿力的最大差值為12.2 kN。
(1)該橋邊跨相對主跨較小,在邊墩會出現很大的支座負反力,特設置螺桿墩位來防止邊跨負反力的出現。
(2)該橋在設計荷載作用下斜撐結構將產生巨大的反力,從而導致斜撐頂位置的主梁產生較大彎矩。為降低該彎矩,可在斜撐頂附近主次縱梁對應的位置設置鋼螺桿。
(3)該橋的整體穩(wěn)定是該工程的一個控制問題,其主拱穩(wěn)定是靠主拱與主梁的螺桿。主拱的穩(wěn)定要求主梁的扭轉角度很小,因此,橫橋向布置的四個螺桿是該橋穩(wěn)定的關鍵點。
(4)螺桿的布置是設計時需要考慮的問題。當螺桿布置得靠近斜撐,拱肋、拱間橫連和主次縱梁的應力就有所降低,拱腳拱箱和邊斜撐的應力就會增加;而中斜撐的應力最大值增加,應力最小值降低。螺桿布置得太近,拱腳拱箱和邊斜撐在強度設計上就難以滿足規(guī)范要求,而且構造上沒有足夠的空間,不易實現;當螺桿布置得太遠,拱肋、拱間橫連和主次縱梁的應力增加較多,用鋼量就越大,橋梁的自重就越大,應力增加快,容易陷入增大截面尺寸,自重增大,應力難以下降的循環(huán)中,所以螺桿處于不同位置對橋梁受力有很大影響。
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