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        鋼管混凝土桁架橋結(jié)構(gòu)設(shè)計

        2019-10-09 13:44:42雒建哲
        珠江水運 2019年15期
        關(guān)鍵詞:承載力

        雒建哲

        摘 要:以某鋼管混凝土桁架橋為研究對象,通過建立有限元模型,對該橋進(jìn)行了頂推施工階段、成橋階段承載力及結(jié)構(gòu)的動力特性進(jìn)行計算分析,得出如下結(jié)論:鋼管混凝土桁架橋采用頂推施工方案能滿足受力要求,且施工階段應(yīng)力儲備較富余,但由于單片頂推,施工時桁架面外需增加臨時支撐來保證。鋼管混凝土上下弦桿,能充分發(fā)揮組合材料的優(yōu)越性,受力明確,結(jié)構(gòu)合理,造型美觀。結(jié)論為同類橋梁的設(shè)計提供借鑒。

        關(guān)鍵詞:桁架橋 鋼管混凝土 外懸臂 頂推施工 承載力 動力特性

        1.工程概況

        某橋為跨蘭青鐵路而設(shè),采用主跨70m鋼桁架簡支梁一跨跨越現(xiàn)有蘭青鐵路,橋頭兩側(cè)設(shè)20m跨引橋,由于該橋位于城區(qū)出入口處,橋梁下弦桿兩側(cè)懸挑2.25m人行道便于行人通行。該橋立面布置三角形腹桿桁架體系,兩片桁架布置,跨徑70m,橋面寬12m,桁高5m,桁高與跨徑之比為1/14,一跨桁架共8個節(jié)間,每節(jié)間長度為8m。主桁上弦桿采用直徑1000mm的圓形鋼管混凝土斷面;下弦桿采用900×900mm PBL加勁型矩形鋼管混凝土斷面;腹桿采用直徑700mm、630mm的鋼管斷面。橋面板采用混凝土橋面板,縱、橫向分塊預(yù)制。外伸人行道懸臂梁采用T型截面,懸臂梁高200~450mm,人行道橋面板采用正交異形鋼橋面板。主桁桿件均采用Q390E鋼材,上下弦桿均灌注C50微膨脹混凝土。

        采用單片桁架頂推施工方案(前導(dǎo)梁斷面采用下弦鋼箱斷面,長17m),具體施工步驟如下:

        (1)在小樁號一側(cè)設(shè)置支架,拼裝主桁(主桁分段在工廠完成預(yù)制)和前導(dǎo)梁;(2)安裝頂推設(shè)備,兩片鋼桁架各自向前頂推24m,兩片桁架共同達(dá)到最大懸臂狀態(tài);(3)前導(dǎo)梁到達(dá)對岸臨時支撐;(4)兩片鋼桁架各自向前頂推16m,桁架前端到達(dá)對岸臨時支撐;(5)繼續(xù)頂推桁架到設(shè)計位置,完成頂推并拆除導(dǎo)梁;(6)連接橫梁及人行道懸臂縱梁;(7)灌注上、下弦桿及端橫梁混凝土;(8)待管內(nèi)混凝土達(dá)到設(shè)計強度后,拆除臨時支撐;(9)架設(shè)預(yù)制橋面板,澆筑橋面板濕接縫,安裝人行道外懸臂橋面板;(10)敷設(shè)瀝青混凝土,完成泄水管、防撞護(hù)欄、伸縮縫等施工。分析時,考慮施工階段聯(lián)合截面,在上一施工步驟完成鋼管與管內(nèi)混凝土的疊合。

        2.計算模型

        采用Midas Civil 2015建立橋梁計算模型,其中上、下弦桿及腹桿、橫梁采用梁單元模擬,橫梁與下弦桿之間采用彈性連接中的剛性連接模擬,鋼管混凝土構(gòu)件考慮施工階段聯(lián)合截面;混凝土橋面板采用板單元模擬;支座采用一般支承模擬,結(jié)構(gòu)有限元模型見圖1。

        3.靜力分析

        3.1施工階段受力計算(見表1)

        在完成橋面鋪裝施工后,鋼桁梁各構(gòu)件受力達(dá)到最大值。其中,上弦桿內(nèi)混凝土組合應(yīng)力最大值(受壓)為15.1MPa

        3.2結(jié)構(gòu)承載能力計算

        對結(jié)構(gòu)進(jìn)行成橋后的承載能力極限狀態(tài)分析,取結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.1,荷載組合考慮基本組合:1.2恒荷載+1.0收縮、徐變+1.4汽車荷載+0.75(1.1風(fēng)荷載+1.4溫度荷載)。詳細(xì)結(jié)果如下所示:

        (1)上弦桿應(yīng)力計算結(jié)果。在承載能力極限狀態(tài)基本組合作用下,上弦桿鋼管組合應(yīng)力最大值為221.0MPa

        (2)上弦桿偏心受壓承載力驗算。上弦桿承載力驗算依據(jù)《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計規(guī)范》(JTG/ T D65-06-2015)中,鋼管混凝土偏心受壓構(gòu)件承載力相關(guān)計算方法進(jìn)行:上弦桿中部:γN=2.75×104kN<3.24×104kN;上弦桿端部:γN=1.00×104kN<2.75×104kN;

        (3)上弦桿抗剪承載力驗算。上弦桿中部:γ0V=2356.5kN<15.37×103kN;上弦桿端部:γ0V=7352.1kN<12.58×103kN。

        (4)下弦桿應(yīng)力計算結(jié)果。在承載能力極限狀態(tài)基本組合作用下,下弦桿鋼管組合應(yīng)力最大值為181.8MPa

        (5)下弦桿承載力驗算。依據(jù)《矩形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(CECS 159-2004)中相關(guān)規(guī)定,驗算下弦桿承載能力:下弦桿中部:Mun=1.11372×104kN/m;下弦桿端部:Mun=9.84501×103kN/m。

        通過提取有限元模型計算結(jié)果,可以得出:下弦桿中部軸力最大值為21282.7kN,同一單元繞Y軸彎矩為2815.0kN·m;下弦桿端部軸力最大值為4504.5kN,同一單元繞Y軸彎矩為1227.1kN·m;則,下弦桿承載力驗算如下:

        下弦桿中部:N/fAsu+M/Mun=0.944<1;下弦桿端部:N/fAsu+M/Mun=0.293<1。

        (6)腹桿應(yīng)力計算結(jié)果。承載能力極限狀態(tài)基本組合作用下,腹桿的最大拉應(yīng)力為246.3MPa,所在單元位置為梁端第二根腹桿處;最大壓應(yīng)力為246.7MPa,發(fā)生在梁端第一根腹桿處;以上應(yīng)力值均小于fd=295MPa,計算結(jié)果滿足要求。

        (7)動力特性。由計算得第一至第四階頻率分別為1.9226、2.3797、2.6969、2.7423,圖2中,前兩階振型分別為縱橋向?qū)ΨQ豎彎和橫橋型反對稱豎彎,第三、四階振型均為人行道局部對稱豎彎,這是由于下弦桿外懸臂人行道造成的,且三、四階自振頻率很接近前二階整體豎彎頻率,對結(jié)構(gòu)較為不利。

        4.結(jié)束語

        通過計算發(fā)現(xiàn),鋼管混凝土桁架橋采用頂推施工方案能滿足受力要求,且施工階段應(yīng)力儲備較富余,但由于單片頂推,施工時桁架面外需增加臨時支撐來保證性。本橋下弦桿外伸懸臂人行道,增加了上弦桿及腹桿應(yīng)力,設(shè)計時應(yīng)加強上弦桿及腹桿。外懸臂人行道部分對結(jié)構(gòu)的自振也產(chǎn)生不利影響,設(shè)計時需采取措施減小振動。

        參考文獻(xiàn):

        [1]陳志明,王賢強,張建東,等.大跨徑簡支鋼桁架橋頂推架設(shè)施工技術(shù)[J].施工技術(shù),2018(S4):643-646.

        [2]蔡宏偉.鋼桁架橋靜力及動力特性探討[J].山西交通科技,2012(02): 27-29.

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