張科乾
(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司,上海市 200092)
近幾十年,我國(guó)橋梁建設(shè)發(fā)展迅速,鋼管混凝土拱橋由于受力性能好、跨越能力大、建筑結(jié)構(gòu)高度低、造價(jià)經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn),在大跨橋梁中被廣泛采用[1-2]。本文以湖州環(huán)漾大橋?yàn)楸尘?,介紹其主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)計(jì)算,可為類似橋梁的設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。
環(huán)漾大橋位于湖州康山分區(qū),是環(huán)漾大橋跨越妙湖線的橋梁,道路等級(jí)為城市次干路,設(shè)計(jì)車速為50 km/h,采用雙向六機(jī)兩非的車道規(guī)模。主橋采用下承式鋼管混凝土拱橋,一跨跨越妙湖線,引橋采用簡(jiǎn)支變連續(xù)小箱梁(見圖1、圖2)。
圖1 立面布置圖(單位:cm)
主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下:
(1)汽車荷載:城—A級(jí);
圖2 標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位:cm)
(2)主橋平面位于直線段,道路中心線法向與航道中心線夾角約41.8°;
(3)主橋立面位于豎曲線R=1 500 m的凸曲線上,前坡、后坡為±3.0%;
(4)通航要求:Ⅴ級(jí)航道,通航凈空:45 m(凈寬)×5 m(凈高),由于航道要求,橋梁需采用先拱后梁的無支架施工;
(5)抗震設(shè)計(jì):地震動(dòng)峰值加速度:0.05g,地震基本烈度:6度。
主橋采用下承式鋼管混凝土拱橋,拱橋跨徑130 m(計(jì)算跨徑為126 m),吊索間距5 m,采用縱向雙吊索體系。系梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土矩形箱梁;吊索橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土T形橫梁;拱腳橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱形橫梁;主墩采用墻式墩?;A(chǔ)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ),嵌巖樁基礎(chǔ)。主橋采用先拱后梁施工;系梁及橫梁采用預(yù)制吊裝施工。
鋼管混凝土拱橋拱肋的形式有單管、啞鈴形管和桁式拱肋幾種形式,考慮結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性,不同拱肋截面形式的鋼管混凝土適用范圍也不同(見表 1)。
表1 各種拱肋截面形式的跨徑適用范圍一覽表
環(huán)漾大橋跨徑130 m,單管截面形式的跨越能力已不能滿足要求;相比于桁式拱肋,啞鈴形拱肋桿件較少,涂裝面積小,養(yǎng)護(hù)涂裝費(fèi)用較低,從簡(jiǎn)化養(yǎng)護(hù)的角度,拱肋采用啞鈴形拱肋。兩榀平行的拱肋間距為24 m,矢高25.25 m,矢跨比為1/5,拱軸線采用二次拋物線,拱腳外包C55混凝土,拱肋插入混凝土拱腳約3.5 m。
啞鈴型截面總高3 200 mm,上下鋼管中心距為1800mm,鋼管外徑為1400mm,鋼管壁厚22~25mm;兩腹板間距為900 mm,腹板厚度為16 mm,腹板沿豎向設(shè)置兩道縱向加勁板;腹腔內(nèi)吊索側(cè)設(shè)置HM588×300 H型鋼加勁鋼,間斷設(shè)置橫隔板和腹板豎向加勁肋;鋼管及腹板采用Q345qC鋼材,上下鋼管填充混凝土采用C50自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土??紤]到腹腔內(nèi)灌注混凝土容易造成爆管事故,腹板內(nèi)僅拱腳至第一根吊索范圍內(nèi)填充混凝土,其它位置不填充,這樣既免去了澆注腹腔內(nèi)混凝土的工序,又從根本上避免爆管事故的發(fā)生,這種新型的啞鈴形拱肋在最近新建橋梁中得到了廣泛的運(yùn)用(見圖3)。
圖3 拱肋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖(單位:cm)
全橋拱肋橫向共布置五道風(fēng)撐,其中拱肋中心采用一字撐,兩側(cè)采用K撐,縱向風(fēng)撐間距為10 m,風(fēng)撐均采用空心鋼管。一字撐主管外徑為900 mm,壁厚16 mm,支管外徑600 mm,壁厚12 mm;K撐主管外徑為1 400 mm,壁厚22 mm,支管外徑為900 mm,壁厚16 mm。
系梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土矩形箱梁,梁寬2 m,高2.1 m,拱腳處加高至2.7 m,頂板厚0.65 m,底板厚0.35 m,腹板厚0.35 m,在吊索位置2 m范圍內(nèi)及拱腳處采用實(shí)心斷面。除拱腳部分采用支架現(xiàn)澆外,余均采用節(jié)段預(yù)制,現(xiàn)澆濕接頭的方式連成整體,其中跨中預(yù)制階段為4 m,其余預(yù)制節(jié)段長(zhǎng)為9 m,節(jié)段間設(shè)置1 m現(xiàn)澆段(見圖4)。
圖4 系梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖(單位:cm)
吊索橫梁包含肋間部分和挑臂部分,均采用節(jié)段預(yù)制,現(xiàn)澆濕接頭的方式連成整體。肋間橫梁總長(zhǎng)22m,跨中梁高2m,采用T形橫梁,頂板寬3 m,厚0.28 m,腹板厚度由跨中0.4 m漸變到支點(diǎn)0.5 m,過渡段長(zhǎng)度2.0 m;挑臂橫梁長(zhǎng)5.8 m,采用T形截面,頂寬3 m,梁高由懸臂根部的1.55 m漸變至端部0.85 m,頂板厚0.28 m,腹板厚度0.4 m(見圖5)。
圖5 吊索橫梁跨中橫斷面圖(單位:cm)
拱腳橫梁包含肋間部分和挑臂部分,肋間部分長(zhǎng)度為22 m,單側(cè)挑臂部分為5.8 m,采用支架現(xiàn)澆方式施工??缰辛焊?.8 m,肋間橫梁采用單箱雙室截面,頂寬6.44 m,底寬4.94 m,頂板厚40 cm,底板、腹板厚度由跨中40 cm漸變到支點(diǎn)50 cm,過渡段長(zhǎng)度2.1 m;挑臂橫梁長(zhǎng)5.8 m,采用π形截面,頂寬6.44 m(見圖6)。
圖6 拱腳橫梁跨中橫斷面圖(單位:cm)
橋面板有預(yù)制簡(jiǎn)支板和現(xiàn)澆整體板。預(yù)制簡(jiǎn)支板直接擱置在相鄰橫梁上,板與板之間鉸接或剛接,同時(shí)用橋面鋪裝連成整體,這種橋面板施工方便,但整體性較差,特別是端橫梁位置,在重車作用下,由于板剛度小,轉(zhuǎn)動(dòng)大,支座容易脫落;整體現(xiàn)澆板與主梁的縱、橫梁體系形成整體,不僅承受局部車輪荷載,同時(shí)參與縱、橫梁整體受力,整體性好。因此,該工程采用整體現(xiàn)澆板的橋面板形式。
橋面板厚度0.28 m,由預(yù)制橋面板與現(xiàn)澆橋面板兩部分組成。預(yù)制橋面板與吊索橫梁一起預(yù)制,中間再澆筑2.0 m寬的現(xiàn)澆橋面板,通過橫梁預(yù)留鋼筋與橫梁連接。
該工程橋面較寬(37.6 m),吊索承受荷載較大,并且考慮運(yùn)營(yíng)階段吊索更換的簡(jiǎn)便性,采用縱向雙吊索形式。
吊索采用柔性吊索,為便于換索,同時(shí)減小單根拉索局部受力,其布置形式為縱向雙吊索,同一吊點(diǎn)雙吊索間距為0.6 m,吊點(diǎn)間距為5 m。為減小吊索導(dǎo)管對(duì)拱肋截面的削弱,采用尺寸較小的整體擠壓成束錨具。為便于檢查,將錨頭外露于拱肋頂部,并用防護(hù)罩密封。
梁上錨固設(shè)計(jì)借鑒斜拉橋中銷鉸式錨固結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在系梁施工時(shí)將錨固結(jié)構(gòu)預(yù)埋入混凝土梁內(nèi),利用連接件及底部的端錨板來實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)與混凝土之間的傳力(見圖7)。這種外露梁頂?shù)腻^固方式給養(yǎng)護(hù)和檢修帶來了很大的便利,吊索與耳孔采用銷鉸式連接,釋放了吊索端部轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,可減小可變荷載作用下吊索的附加彎曲應(yīng)力,避免了防護(hù)套在反復(fù)荷載作用下的損壞。
圖7 組合錨拉板結(jié)構(gòu)構(gòu)造示意圖
主橋整體結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算采用Midas/Civil空間桿系有限元方法進(jìn)行計(jì)算,建立包括拱肋、系梁、吊索的全橋有限元模型。其中,系梁、拱肋采用空間梁?jiǎn)卧?,吊索、臨時(shí)系索采用只受拉桁架索單元。有限元計(jì)算模型如圖8所示。
圖8 整體計(jì)算模型
鋼管混凝土拱肋截面采用Midas自帶組合截面模擬,通過不同階段截面的組合實(shí)現(xiàn)管內(nèi)混凝土依次參與受力。
計(jì)算荷載考慮了結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變、活載、風(fēng)荷載、溫度荷載及施工階段臨時(shí)荷載等。縱向計(jì)算對(duì)以下方面進(jìn)行了驗(yàn)算,結(jié)果表明,受力滿足規(guī)范要求[3-4]:
(1)系梁承載能力、持久狀態(tài)應(yīng)力及撓度;
(2)吊索承載能力及疲勞應(yīng)力幅;
(3)拱肋承載能力、鋼管應(yīng)力、混凝土應(yīng)力、撓度驗(yàn)算;
(4)風(fēng)撐強(qiáng)度驗(yàn)算;
(5)短暫工況施工階段及換索工況驗(yàn)算;(6)斷索偶然工況驗(yàn)算;(7)彈性屈曲穩(wěn)定驗(yàn)算。
由于系梁自身的抗扭剛度及系梁、橫梁組成的框架效應(yīng),橫梁在吊索位置處于彈性支承狀態(tài),介于簡(jiǎn)支邊界和固結(jié)邊界之間,為保證其受力安全,橫梁計(jì)算考慮了簡(jiǎn)支和固結(jié)兩種邊界形式,計(jì)算模型如圖9所示。
圖9 橫梁計(jì)算模型
橫梁計(jì)算考慮了截面的有效分布寬度,模擬了橫梁簡(jiǎn)支變連續(xù)的架設(shè)過程,汽車活載按杠桿法考慮。計(jì)算表明,橫梁在兩種邊界條件下均能滿足受力要求。
吊索梁上錨固采用了全新的組合錨拉板系統(tǒng),結(jié)構(gòu)主要由四部分組成,錨拉板、加勁板、端承板及連接件。錨拉板沿豎向插入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部,錨拉板上露出混凝土結(jié)構(gòu)部分設(shè)置耳孔用于連接拉索;端承板水平焊接在錨拉板底部,通過板面承壓來承擔(dān)部分拉力;加勁板對(duì)稱焊接在錨拉板兩側(cè),增強(qiáng)錨拉板的側(cè)向剛度。加勁板與錨拉板上都有開孔并貫穿鋼筋形成開孔板連接件,通過連接件的抗剪作用抵抗拉索拉拔力。其構(gòu)造如圖10所示。
圖10 組合錨拉板結(jié)構(gòu)構(gòu)造圖(單位:cm)
為保證結(jié)構(gòu)的安全性,對(duì)錨拉板組合錨固結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的力學(xué)性能分析。分析了各種布置形式下的連接件剪力分配、鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)、混凝土應(yīng)力狀態(tài)及鋼混結(jié)合位置位移。
采用大型通用有限元軟件ANSYS建立節(jié)段局部模型(見圖11)。為減小邊界效應(yīng)的影響,模型長(zhǎng)度考慮在5 m長(zhǎng)的錨固節(jié)段兩側(cè)各建入5 m系梁節(jié)段,對(duì)混凝土系梁、錨拉板鋼板及開孔板連接件分別采用solid45實(shí)體單元、shell63板殼單元和彈簧單元combin14進(jìn)行模擬;鋼板與混凝土系梁間接觸采用conta173與targe170單向標(biāo)準(zhǔn)接觸,不考慮鋼-混之間的摩擦效應(yīng)。
圖11 有限元模型
在基本組合設(shè)計(jì)荷載下,吊索索力為1 540 kN。索力的施加通過對(duì)錨拉板銷軸孔上半圓弧施加的均布?jí)毫δM,系梁等效荷載中的軸力通過在梁端施加均布軸向荷載模擬,等效彎矩通過在梁端上、下緣施加等大反向的荷載模擬。通過兩組梁端荷載的施加調(diào)整錨固位置內(nèi)力,使其于整體模型中系梁內(nèi)力一致。
計(jì)算表明錨拉板開孔板連接件、加勁板開孔板連接件及承壓板荷載分擔(dān)比例如表2所列。
表2 荷載分配比例表
錨拉板開孔板連接件剪力分布呈現(xiàn)由上至下逐漸減小的趨勢(shì),上面第1排的邊上開孔板連接件豎向剪力值最大,為73 kN,根據(jù)《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》[5]計(jì)算得到單個(gè)開孔板極限承載能力為298 kN,安全系數(shù)分別為4.08,連接件安全儲(chǔ)備較大。錨拉板開孔板連接件剪力分布如圖12所示(圖中橫坐標(biāo)為列序號(hào),其中“0表示為中間列”,“-”表示左側(cè),下同)。
圖12 錨拉板開孔板連接件剪力分布圖
加勁板開孔板連接件剪力分布呈現(xiàn)由上至下逐漸減小的趨勢(shì),橫向分布為邊列受力最大,最大值出現(xiàn)在上面第1排邊列,為28 kN。加勁板開孔板連接件剪力分布如圖13所示。
圖13 加勁板開孔板連接件剪力分布圖
設(shè)計(jì)荷載作用下,鋼結(jié)構(gòu)整體受力狀態(tài)如圖14所示。
圖14 鋼結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力狀態(tài)示意圖(單位:Pa)
錨拉板應(yīng)力由上至下逐漸減小,除銷鉸加強(qiáng)板區(qū)域、加勁板與承壓板接觸的局部區(qū)域外,鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力不超過80 MPa。
設(shè)計(jì)荷載下(對(duì)應(yīng)整體模型中上緣應(yīng)力最大工況),從系梁中心縱、橫剖面正應(yīng)力分布(見圖15、圖16)可以看出:系梁出現(xiàn)不大于0.7 MPa的拉應(yīng)力,出現(xiàn)在防水平臺(tái)位置,其它區(qū)域基本均處于壓應(yīng)力狀態(tài)。系梁橫剖面壓應(yīng)力大于15 MPa的區(qū)域?yàn)闄M梁鋼束作用產(chǎn)生的應(yīng)力集中效應(yīng)。
圖15 系梁縱剖面整體正應(yīng)力示意圖(單位:Pa)
綜上所述,組合錨拉板結(jié)構(gòu)受力安全可靠。
主橋采用先拱后梁施工,具體施工順序如下:
(1)在主墩處搭設(shè)支架,現(xiàn)澆系梁現(xiàn)澆段、拱腳及拱腳橫梁。
圖16 系梁橫剖面整體正應(yīng)力示意圖(單位:Pa)
(2)采用單臺(tái)600 t浮吊單片吊裝拱肋架設(shè)安裝(吊裝重量260 t),安裝鋼管拱之間的風(fēng)撐。
(3)分批灌注拱肋鋼管混凝土,先灌注下管,鋼管拱內(nèi)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后灌注上管。
(4)按跨中至拱腳的順序逐段對(duì)稱吊裝安裝系梁,澆筑濕接縫,張拉縱梁預(yù)應(yīng)力,拆除臨時(shí)系索。
(4)安裝預(yù)制橫梁,由于橫梁預(yù)應(yīng)力的張拉對(duì)系梁有面外受力效應(yīng),考慮了散裝橫梁安裝順序?qū)ο盗菏芰Φ挠绊懀篴.跨中至拱腳安裝;b.拱腳至跨中安裝;c.二分法安裝,即先安裝跨中橫梁,再安裝1/4跨橫梁,逐插中安裝。分析表明:按跨中至拱腳順序安裝最優(yōu),橫梁面外彎矩最小,該橋施工采用了跨中至拱腳安裝的順序。
(5)現(xiàn)澆施工橋面系。
在施工過程中,在系梁未成型之前,采用臨時(shí)系索控制拱肋受力和拱腳變位,臨時(shí)系束鋼絞線整束擠壓型拉索,在拱肋架設(shè)、管內(nèi)混凝土灌注、系梁吊裝過程中張拉對(duì)應(yīng)批次臨時(shí)系索,控制拱腳位移在5 mm以內(nèi)。
以湖州市環(huán)漾大橋?yàn)楸尘?,介紹鋼管混凝土系桿拱橋的拱肋、系梁、橫梁、吊索及其錨固系統(tǒng)等主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及計(jì)算。針對(duì)吊索梁上錨固采用的創(chuàng)新型錨固系統(tǒng)-錨拉板組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了局部分析。結(jié)果表明,橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,受力可靠。最后介紹了橋梁先拱后梁的施工方案。其研究成果可為同類橋梁的設(shè)計(jì)、計(jì)算提供建議和參考。