魏一絎，王梅俊

(天津城建設(shè)計(jì)院有限公司第七分院，浙江 杭州 310051)

1 工程概況

某上承式鋼管混凝土拱橋位于浙江省溫州市泰順縣珊溪水庫庫區(qū)，承接水庫兩岸交通作用。主拱計(jì)算跨徑170 m，矢跨比為1/4.8。拱軸線按懸鏈線設(shè)置，拱軸系數(shù)m取值1.543。上部結(jié)構(gòu)布置為3×4×15.3 (m)預(yù)應(yīng)力混凝土橋面連續(xù)矮T梁。橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型布置圖(單位：m)

2 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 拱肋構(gòu)造

主拱采用四肢全桁式等截面鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)，由兩條拱肋及橫向聯(lián)接系構(gòu)成。拱肋中心距7.2 m，肋全高3.8 m，全寬2.8 m。每肋由4肢φ800×16 mm/20 mm(拱腳處加厚)鋼管構(gòu)成，內(nèi)灌C50混凝土。柱下豎腹桿、拱鉸處斜桿內(nèi)灌C50混凝土，其余腹桿及平聯(lián)鋼管內(nèi)不灌混凝土。

2.2 拱肋節(jié)段劃分及接頭設(shè)置

拱肋節(jié)段劃分采用與拱上建筑跨徑統(tǒng)一的方式，即在立柱下方設(shè)置兩豎腹桿，內(nèi)灌C50混凝土，拱肋節(jié)段接頭設(shè)在兩豎腹桿之間。

2.3 拱肋橫向聯(lián)系

圖2 1/2拱肋橫向聯(lián)系示意圖

2.4 拱上立柱及上部結(jié)構(gòu)

拱上立柱為4根φ426×10 (mm)鋼管組成的格構(gòu)式柱，鋼管內(nèi)灌C50混凝土。立柱柱肢沿順橋方向間距1.5 m，橫橋方向間距2.0 m。柱肢上沿高度方向水平設(shè)置間隔2 m一道的φ180×6 mm鋼管。立柱之間設(shè)置數(shù)道鋼管桁架聯(lián)系梁，增加整體穩(wěn)定性。拱上蓋梁采用預(yù)制拼裝鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，蓋梁全長11.7 m，全寬2.2 m，蓋梁橫坡按橋面橫坡2%設(shè)置，蓋梁端部高度1.4 m。上部構(gòu)造采用15.3 m預(yù)應(yīng)力矮T梁，先簡支后橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)。矮T梁梁高0.9 m，梁間距1.7 m，橫橋向按6片布置，中梁頂寬1.2 m，邊梁頂寬1.25 m。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 計(jì)算模式

主橋拱肋及拱上立柱在未灌注混凝土前為空鋼管，以鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范檢算；灌注混凝土后，則需以鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)來檢算[2]。全橋靜力和動(dòng)力計(jì)算均根據(jù)實(shí)際施工過程進(jìn)行建模，分析橋梁各階段的內(nèi)力和位移響應(yīng)情況。靜力分析采用Midas Civil 2020進(jìn)行建模，為了更精確得到在材料時(shí)間依存特性影響下鋼管混凝土的分析結(jié)果，使用Midas程序中聯(lián)合截面功能建立模型[3]，使截面順序生效，來模擬結(jié)構(gòu)中鋼管混凝土構(gòu)件的截面形成過程。

3.2 計(jì)算結(jié)果

3.2.1 施工階段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算

在施工過程中各個(gè)階段，結(jié)構(gòu)各部位的應(yīng)力值均在合理范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)空鋼管最大應(yīng)力為65.7 MPa

3.2.2 基本組合工況結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

根據(jù)文獻(xiàn)[4]C.0.1條規(guī)定：鋼管混凝土構(gòu)件作為鋼管和混凝土兩種材料單元，構(gòu)件滿足平截面假定，應(yīng)采用疊加法計(jì)算各階段累計(jì)的截面應(yīng)力[5]，滿足

提取Midas中基本組合各部分應(yīng)力如下。

主拱鋼管混凝土:

立柱鋼管混凝土:

最不利工況組合下，結(jié)構(gòu)各部位的應(yīng)力值均在合理范圍內(nèi)，鋼管混凝土中鋼管部分最大應(yīng)力為157.7 MPa，管內(nèi)混凝土最大壓應(yīng)力為20.7 MPa，滿足規(guī)范要求。

3.2.3 承載能力極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

主拱組合內(nèi)力按文獻(xiàn)[4]第3.3.2條進(jìn)行計(jì)算。本橋主拱有兩種斷面，區(qū)別在于主拱鋼管的壁厚不同，拱腳處采用φ800×20 (mm)鋼管，其他段采用φ800×16 (mm)鋼管。對(duì)兩種斷面取其不利單元分別計(jì)算。壁厚20 mm段拱肋內(nèi)力見表1。

表1 壁厚20 mm段拱肋內(nèi)力表

組合軸力N：

N=γ∑(Ni+Ni'cosq)=52423kN

組合彎矩M：

3761.6kN·m

組合偏心距e0=M/N=3761.6/52423=0.072

e0/h=0.024≤εb=0.5滿足規(guī)范要求。

主拱肋強(qiáng)度驗(yàn)算:

1)根據(jù)規(guī)范[4]第5.3.1條鋼管混凝土組合構(gòu)件計(jì)算主管長細(xì)比。

2)根據(jù)Midas施工期間模擬計(jì)算，提取鋼管初應(yīng)力最大值為48.5 MPa。

根據(jù)規(guī)范[4]第5.2.4條計(jì)算鋼管初應(yīng)力折減系數(shù)Kp：

3)主拱按偏心受壓承載力驗(yàn)算

根據(jù)規(guī)范[4]第5.3.2條進(jìn)行驗(yàn)算：

fsc=0.96×(1.14+1.02ζ0)fcd=56.0MPa

根據(jù)上述參數(shù)計(jì)算壁厚20 mm段拱肋強(qiáng)度：

表2 壁厚16 mm段拱肋內(nèi)力表

采用相同方法計(jì)算壁厚16 mm段拱肋強(qiáng)度：

3.2.4 變形計(jì)算

在車道荷載作用下主拱最大豎向撓度為19.8 mm<1/1000L=170 mm，主拱豎向剛度滿足規(guī)范要求。

3.2.5 穩(wěn)定性計(jì)算

荷載作用下，主拱肋結(jié)構(gòu)的彈性穩(wěn)定系數(shù)為12.5，大于規(guī)范[4]5.9.1條規(guī)定的不應(yīng)小于4.0，穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。

3 結(jié) 語

進(jìn)行桁式主拱鋼管混凝土設(shè)計(jì)時(shí)，通過有限元軟件建立全橋模型，計(jì)算施工過程中各階段及運(yùn)營階段受力狀態(tài)，根據(jù)規(guī)范對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，進(jìn)一步通過電算和手算相結(jié)合對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行細(xì)化驗(yàn)算，確保設(shè)計(jì)合理性。

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