彭 亮 徐井全

飛燕式異型鋼管砼拱橋鋼箱掛梁支座脫空相關(guān)問題研究

彭 亮1徐井全2

（1.上海同豐工程咨詢有限公司，上海 200444；2.長春高新人才勞務(wù)開發(fā)有限公司，吉林 長春 130000）

本文以某座飛燕式異型鋼管砼拱橋鋼箱掛梁的異?；蝿訛楸尘?，通過鋼箱掛梁支座靜壓試驗和吊桿索力實測結(jié)果判斷鋼箱掛梁支座（設(shè)計為拉壓球型支座）已脫空，并以吊桿索力實測值作為成橋目標(biāo)索力進行施工階段有限元仿真分析，結(jié)果表明施工過程支座拉力遠(yuǎn)未超過支座的承拉力，不可能受拉破壞，應(yīng)是支座型號不符合設(shè)計要求，未采用拉壓型支座或者支座承拉力不滿足橋梁正常運營要求。針對此問題，提出的兩種處置方案并結(jié)合有限元仿真分析得出相應(yīng)的合理成橋狀態(tài)，分析結(jié)果表明，“將支座作為僅受壓型支座使用”時鋼箱掛梁線形下凹，嚴(yán)重偏離設(shè)計線形，而須將其更換為拉壓球型支座，支座的承拉力應(yīng)高于設(shè)計值。

飛燕式異型鋼管砼拱橋；鋼箱掛梁晃動；支座靜壓試驗；成橋狀態(tài)

1 工程概況

飛燕式鋼管混凝土拱橋?qū)儆谧云胶庵谐惺焦皹?，一般設(shè)計成用系桿平衡水平推力的帶懸臂半孔的無推力或部分推力拱，其兩邊跨為半跨懸臂上承式拱、中跨為中承式鋼管混凝土拱，通過錨固于兩邊跨端部的系桿來平衡主跨水平推力[1]，如廣東南海三山西大橋、廣州丫髻沙大橋、東莞水道特大橋[2]等。

某座三跨飛燕式異型鋼管混凝土拱橋跨徑組合為51m＋158m＋51m，橋面總寬為40.0m，橫向布置為：2.5m（人行道）+15.0m（車行道）+0.5m（防撞護欄）+4.0m（拱肋區(qū)、中央分隔帶）+0.5m（防撞護欄）+15.0m（車行道）+2.5m（人行道）。兩邊跨為半懸臂上承式拱，中跨為中承式拱（鋼管砼拱肋由主拱肋和穩(wěn)定拱肋組成）。主拱的定位軸線為豎直平面上的二次拋物線，矢跨比1/4.23，其截面由三根鋼管通過拉板連接而成的三角形截面；穩(wěn)定拱共兩根，其軸線均為二次拋物線?！帮w燕式”拱肋部分采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱型結(jié)構(gòu)，兩端均與主梁固結(jié)。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁+鋼箱掛梁，鋼箱梁長110.8m，以簡支的形式支撐于混凝土箱梁牛腿上，支座為拉壓球型支座，其型號為LYQZ8000/1600DX。主拱共設(shè)16根吊桿（編號由東向西N/S1#~16#），均布置在鋼箱掛梁范圍內(nèi)，吊桿規(guī)格PES(FD)7-61，縱橋向間距6m，同一斷面橫橋向布置兩根吊桿，吊桿兩端分別錨固于主梁鋼錨箱和主拱拱肋內(nèi)，主梁端為張拉端，橫橋向間距4.4m，主拱端為固定端，橫橋向間距0.7m。全橋共設(shè)置6根水平系桿，索體規(guī)格為PES(FD)7-199，系桿布置于中央分隔帶區(qū)域橋面上，兩端錨固于邊跨端橫梁上[3]。橋型布置及鋼箱掛梁支撐體系平面圖見圖1，橋梁施工步驟見表1。

表1 施工步驟劃分

2 鋼箱掛梁晃動分析

該橋中跨為鋼箱掛梁，車輛通過時，受結(jié)構(gòu)形式影響，其鋼箱掛梁兩端上下晃動明顯，加上支座位置間隙過小，無法近距離檢查支座是否脫空。檢測時通過采用鋼箱掛梁兩端支座靜壓試驗并結(jié)合吊桿索力來綜合判斷支座是否脫空，同時，運用有限元軟件分析橋梁現(xiàn)階段工況下鋼箱掛梁的支座反力，驗證支座靜壓試驗結(jié)果。

2.1 支座靜壓試驗和吊桿索力分析

靜壓試驗采用6輛重約35t加載車分兩個工況（中載）分別壓于鋼箱掛梁東、西兩端支座正上方，測試鋼箱掛梁與混凝土箱梁的相對豎向位移來判斷支座是否脫空。由表2可知除西端南側(cè)支座處鋼箱掛梁上撓外，其余位置均下?lián)?，最大下?lián)狭?.62mm，表明支座已處于脫空狀態(tài)。西端南側(cè)支座上撓是由于西端3個支座脫空量差別較大，加載后鋼箱掛梁整體偏轉(zhuǎn)所致。

吊桿索力采用頻率法進行測試，由表3可知所有吊桿力之和比鋼箱掛梁總重大約2%，表明在恒載工況下鋼箱掛梁幾乎處于懸空狀態(tài)，兩端支座將出現(xiàn)拉力，結(jié)合支座靜壓試驗結(jié)果可知，鋼箱掛梁支座已不具備抗拉承載能力。

當(dāng)前索力條件下鋼箱掛梁橋面實際線形基本滿足設(shè)計線形，跨中與梁端相對高差設(shè)計值為+307mm，實測值為+265mm（“+、-”分別表示鋼箱梁線形上拱、下凹）。

注：“+、—”分別表示梁上、下?lián)?，豎向位移已考慮支座壓縮變形。

表3 吊桿索力實測結(jié)果（kN）

注：“N、S”分別表示北、南側(cè)吊桿，由東向西依次編號。

圖1 橋型布置圖（單位：cm）

2.2 有限元仿真計算分析

2.2.1有限元模型的建立

采用MIDAS/CIVIL建立施工階段仿真分析的三維有限元模型。主拱、穩(wěn)定拱、風(fēng)撐、主梁、V腿、樁基采用空間梁單元模擬，拱座采用實體單元，吊桿、系桿采用桁架單元模擬。有限元計算模型如圖2所示。

模型的邊界條件：主墩樁基礎(chǔ)考慮樁土效應(yīng)后樁長折減，樁底固結(jié)，邊跨混凝土箱梁梁端簡支，中跨鋼箱掛孔兩端簡支并能承受拉力。

模型的計算荷載：自重、二期恒載、汽車荷載、人群荷載、溫度荷載等，成橋階段吊桿索力按實測恒載索力考慮。

施工階段劃分原則：按照表1的施工步驟劃分施工階段；以實測吊桿索力作為CS7成橋階段目標(biāo)索力進行正裝分析；吊桿張拉在CS5階段已完成。

圖2 空間有限元分析模型

2.2.2仿真計算結(jié)果

以實測吊桿索力作為成橋階段CS7的目標(biāo)索力可確定吊桿張拉施工階段CS5的結(jié)構(gòu)內(nèi)力狀態(tài)，得到CS5、CS7階段鋼箱掛梁支座反力計算結(jié)果，詳見表4。由表4可知CS7階段支座基本處于拉壓臨界狀態(tài)，支座拉力遠(yuǎn)小于其承拉力1600kN（支座型號—拉壓球型支座LYQZ8000/1600DX），CS5階段支座均處于受拉狀態(tài)，支座拉力最大為638kN，約為其承拉力的40%，富余量充足。

參考表1中的施工步驟，CS5階段時吊桿已張拉到位，此階段為支座受拉最不利施工階段，支座承拉力富余量約60%，不會因受拉而破壞。

綜合上述支座靜壓試驗結(jié)果、吊桿索力測試結(jié)果并結(jié)合有限元仿真分析結(jié)果可推斷，鋼箱掛梁支座脫空不是直接由吊桿張拉過大引起的，應(yīng)是支座型號不符合設(shè)計要求，未采用拉壓型支座或者承拉力不滿足橋梁正常運營要求。

表4 仿真分析結(jié)果（kN）

注：“+”表示支座受壓，“-”表示支座受拉。

3 處置方案

鋼箱掛梁運營期間上下明顯晃動對吊桿的使用安全極為不利，極大的增加了高應(yīng)力狀態(tài)下吊桿疲勞破壞的風(fēng)險。本文中提出以下兩種處置方法（方案一：保留支座，僅作為受壓支座使用；方案二：更換為拉壓型支座），通過有限元仿真分析，驗證其調(diào)索后成橋狀態(tài)的可行性。

3.1 保留支座，僅作為受壓支座使用

確保支座受壓功能正常情況下，通過吊桿索力的調(diào)整，恢復(fù)鋼箱掛梁支座支撐功能。

重新調(diào)索后成橋狀態(tài)目標(biāo)：（1）標(biāo)準(zhǔn)荷載組合（1.0恒載+1.0活載）下支座不脫空；（2）鋼箱掛梁線形偏離設(shè)計線形??；（3）吊桿索力均勻。

依據(jù)上述目標(biāo)初擬的成橋狀態(tài)，其吊桿索力、支座反力結(jié)果見表5，索力調(diào)整后鋼箱掛梁跨中截面位移下降402mm。

表5 成橋狀態(tài)恒載工況下吊桿索力和支座反力（kN）

注：支座反力中“+”表示支座受壓，“-”表示支座受拉。

由表5可知，當(dāng)前索力條件下，恒活載最不利工況時所有支座均處于受壓狀態(tài)，但鋼箱掛梁跨中下?lián)?02mm，下?lián)狭恳殉^實測線形跨中截面上拱量265mm，此時鋼箱梁線形已下凹，嚴(yán)重偏離設(shè)計狀態(tài)。

3.2 更換為拉壓型支座

原有支座更換為滿足原設(shè)計要求的拉壓球型支座（LYQZ8000/1600DX），更換完成后重新調(diào)索后成橋狀態(tài)目標(biāo)：（1）標(biāo)準(zhǔn)荷載組合（1.0恒載+1.0活載）下支座拉力不超過承拉力1600kN；（2）鋼箱掛梁線形偏離設(shè)計線形?。唬?）吊桿索力均勻。

依據(jù)上述目標(biāo)初擬的成橋狀態(tài)，其吊桿索力、支座反力結(jié)果見表6，索力調(diào)整后鋼箱掛梁跨中截面位移下降45mm。

表6 成橋狀態(tài)恒載工況下吊桿索力和支座反力（kN）

注：支座反力中“+”表示支座受壓，“-”表示支座受拉。

由表6可知，當(dāng)前索力條件下，恒活載最不利工況時所有支座拉力均未超過承拉力1600kN，鋼箱掛梁跨中下?lián)?5mm，考慮此下?lián)狭亢罂缰薪孛嫔瞎傲咳杂?25mm（設(shè)計值307mm），此時鋼箱梁線形低于設(shè)計線形，但基本滿足使用要求。

顯然，支座的承拉力越高，通過調(diào)整成橋索力可使鋼箱掛梁成橋線形更加符合設(shè)計線形，結(jié)構(gòu)受力更加合理。

4 結(jié)論

（1）通過鋼箱掛梁支座靜壓試驗和吊桿索力實測結(jié)果判斷鋼箱掛梁支座（設(shè)計為拉壓球型支座）已脫空，并以吊桿索力實測值作為成橋目標(biāo)索力進行施工階段有限元仿真分析，其分析結(jié)果表明施工過程支座拉力遠(yuǎn)未超過支座的承拉力，不可能受拉破壞，應(yīng)是支座型號不符合設(shè)計要求，未采用拉壓型支座或者支座承拉力不滿足橋梁正常運營要求[4-5]。

（2）針對鋼箱掛梁支座脫空，提出兩種處置方案并結(jié)合有限元仿真分析得出相應(yīng)的合理成橋狀態(tài)，分析結(jié)果表明，“將支座作為僅受壓型支座使用”時鋼箱掛梁線形下凹，嚴(yán)重偏離設(shè)計線形，而須將其更換為滿足設(shè)計要求的拉壓球型支座。

（3）為使成橋線形更加符合設(shè)計線形，結(jié)構(gòu)受力更加合理，更換后的拉壓球型支座承拉力應(yīng)適當(dāng)提高，并確保最不利工況時仍有一定富余量。

[1]陳寶春.鋼管混凝土拱橋設(shè)計與施工[M].北京:人民交通出版社,1999.

[2]鄭懷穎.飛鳥式鋼管混凝土拱橋受力特性研究[D].福州大學(xué),2005.

[3]王生武,李澤東,任偉新.一座飛燕式系桿拱橋的有限元模型修正[J].中外公路.2020,40(06)：201-207.

[4]嚴(yán)晶,文浩齊,劉博楠.大跨度飛燕式系桿拱橋樁基礎(chǔ)施工工法研究——以合江長江公路大橋為例[J].土工基礎(chǔ).2020,34(04):434-437+441.

[5]張磊,張振偉.飛燕式鋼管混凝土系桿拱橋穩(wěn)定性分析[J].低溫建筑技術(shù).2020,42(02):80-83.

彭亮（1986.10- ），男，漢，籍貫：湖南省長沙市，職稱：中級工程師，學(xué)歷：碩士，單位：上海同豐工程咨詢有限公司，研究方向：橋梁檢測技術(shù)工作；徐井全 （1979.6- ）， 男，漢族，籍貫：吉林省德惠市，職稱：高級工程師，學(xué)歷：本科，單位：長春高新人才勞務(wù)開發(fā)有限公司，研究方向：工程項目建設(shè)、管理工作。

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