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        山區(qū)大跨徑中承式鋼管混凝土拱橋主拱線型比較分析

        2021-06-04 07:50:42張賢霂
        四川建筑 2021年2期
        關鍵詞:拱橋軸力拱頂

        張賢霂, 劉 偉

        (四川省交通勘察設計研究院有限公司,四川成都 610017)

        1 工程概況

        某高速公路特大橋跨越“V”形河溝而設,結合地質、地形、岸坡穩(wěn)定條件及景觀要求,采用360 m中承式鋼管混凝土拱橋,橋梁采用整幅設計,全橋總長389.6 m。拱肋為變截面鋼管混凝土桁架結構,凈跨徑為360 m,計算矢跨比為l/4.5,拱軸系數(shù)為1.45,拱頂截面徑向高為6.5 m,拱腳截面徑向高為12.0 m,肋寬為4.0 m,拱肋中心距為33.0 m;每肋為上、下各兩根φ1300×40/36/30/26/22 mm,橫向通過φ762×16 mm橫聯(lián)鋼管連接,豎向通過φ660×12 mm腹桿鋼管連接而構成。拱肋φ1300 mm弦管內(nèi)灌C60自密實補償收縮混凝土,為加強拱肋橫向連接,吊桿處上橫聯(lián)灌注C60自密實補償收縮混凝土。

        橋面系采用鋼格子梁的鋼-混凝土組合梁。標準段橋面鋼格子梁由兩道邊縱梁(吊桿處)、三道中縱梁與吊桿處的主橫梁及三道次橫梁組成;鋼格子梁均采用“工”形截面。預制橋面板采用等厚,厚度為22 cm,預制橋面板通過濕接縫和縱橫梁剪力釘連接形成一個整體(圖1)。

        圖1 橋梁立面布置(單位:cm)

        2 有限元模型

        結構計算采用midas2019進行空間計算,材料按線彈性計。拱肋、格子梁、立柱等采用梁單元模擬,吊桿采用桁架單元模擬,橋面板采用梁單元模擬;拱腳處固結,并采用彈性連接模擬各處支座(圖2)。

        圖2 橋梁有限元模型

        3 主拱線型比較分析

        3.1 矢跨比

        根據(jù)JTG/T D65-06-2015《公路鋼管混凝土拱橋設計規(guī)范》第8.1.2條,對于中承式鋼管混凝土拱橋,主拱矢跨比取值范圍宜為:1/3.5~1/5,結合本橋實際,取矢跨比分別為1/4、1/4.5、1/5三種進行分析對比。

        3.1.1 結構內(nèi)力

        在恒載作用下主拱上、下弦彎矩圖如下圖所示(取拱軸系數(shù)為1.45),限于圖幅,僅示意半跨計算結果(圖3、圖4)。

        圖3 不同矢跨比下主拱上弦彎矩

        圖4 不同矢跨比下主拱下弦彎矩

        通過上兩圖對比分析可知,在拱軸系數(shù)均為1.45時,不同矢跨比下,主拱上、下弦彎矩差異較小,即矢跨比對主拱上、下弦彎矩影響較小。

        在恒載作用下主拱上、下弦軸力、軸力差如圖5~圖7所示。

        圖5 不同矢跨比下主拱上弦軸力

        圖6 不同矢跨比下主拱下弦軸力

        圖7 不同矢跨比下主拱上、下弦軸力差(絕對值)

        通過上圖對比分析可知,在拱軸系數(shù)均為1.45時,主拱上弦軸力隨著矢跨比增加而減小,最大軸力在拱頂;主拱下弦軸力隨著矢跨比增加也減小,但最大軸力在拱腳;矢跨比為1/4時,主拱上、下弦軸力整體水平顯著小于另外兩種情況,特別是拱頂上弦軸力,較矢跨比1/5小了接近5 100 kN,占比20 %,差異幅度較大,且此時主拱上、下弦軸力差值最小,說明整體截面彎矩也最小,故矢跨比1/4的方案較其它方案優(yōu)。

        3.1.2 結構變形

        在恒載+活載作用下主拱豎向變形如圖8所示(取拱軸系數(shù)為1.45),限于圖幅,僅示意半跨計算結果。

        圖8 不同矢跨比下主拱豎向變形

        通過上圖可知,主拱豎向變形隨著矢跨比增加而減小,矢跨比1/4時,拱頂豎向變形為220 mm,小于矢跨比1/4.5時的249 mm與矢跨比1/5時的279 mm。從變形角度,矢跨比1/4方案較優(yōu)。

        3.2 拱軸系數(shù)

        根據(jù)JTG/T D65-06-2015《公路鋼管混凝土拱橋設計規(guī)范》第8.1.2條,對于中承式懸鏈線鋼管混凝土拱橋,主拱拱軸系數(shù)不宜大于1.9,結合本橋實際,取拱軸系數(shù)分別為1.25、1.35、1.45、1.55、1.65、1.75六種進行分析對比。

        3.2.1 結構內(nèi)力

        對于不同拱軸系數(shù),在恒載作用下主拱上、下弦彎矩如圖9、圖10所示(矢跨比1/4.5),限于圖幅,僅示意半跨計算結果。

        圖9 不同拱軸系數(shù)下主拱上弦彎矩

        圖10 不同拱軸系數(shù)下主拱下弦彎矩

        通過上圖對比分析,在不同拱軸系數(shù)(1.25、1.35、1.45、1.55、1.65、1.75)下,主拱上、下弦彎矩值除拱腳及附近位置外,其余位置差異均較??;在拱腳處,隨著拱軸系數(shù)由1.25變化至1.45,彎矩絕對值逐漸減小;而隨著拱軸系數(shù)由1.55變化至1.75,彎矩絕對值又逐漸增大;因此為使主拱彎矩在絕對值在整個主拱范圍內(nèi)較小且均勻,取拱軸系數(shù)為1.45、1.55較合適。

        對于不同拱軸系數(shù),在恒載作用下主拱上、下弦軸力及軸力差如圖11~圖13所示。

        圖11 不同拱軸系數(shù)下主拱上弦軸力

        圖12 不同拱軸系數(shù)下主拱下弦軸力

        圖13 不同拱軸系數(shù)下主拱上、下弦軸力差(絕對值)

        通過圖11、圖12對比分析,對于上弦,拱腳處軸力隨著拱軸系數(shù)增加而增大,主拱1/8截面處軸力隨著拱軸系數(shù)增加而減小,拱頂處軸力隨著拱軸系數(shù)增加而增大;對于下弦,拱腳處軸力隨著拱軸系數(shù)增加而減小,主拱1/8截面處軸力隨著拱軸系數(shù)增加而增大,拱頂處軸力隨著拱軸系數(shù)增加而減小。同時由圖13可知,拱腳處上、下弦軸力差隨著拱軸系數(shù)增加而減小,主拱1/8截面處上、下弦軸力差隨著拱軸系數(shù)增加而增大,拱頂處上、下弦軸力差隨著拱軸系數(shù)增加而增大。由上述三圖則可以明顯看出,拱軸系數(shù)1.45對應的上、下弦軸力及軸力差變化曲線均位于所有曲線中間,說明此拱軸系數(shù)時,上、下弦軸力及軸力差在整個主拱范圍內(nèi)分布較為均勻、適中。從軸力角度看,拱軸系數(shù)1.45較為合適。

        3.2.2 結構變形

        對于不同拱軸系數(shù),在恒載+活載作用下主拱豎向變形如圖14所示(矢跨比1/4.5)。

        圖14 不同拱軸系數(shù)下主拱豎向變形

        通過圖14可知,1/8、1/4截面處主拱豎向變形隨著拱軸系數(shù)增加而減小,3/8、拱頂處主拱豎向變形隨著拱軸系數(shù)增加而增大。拱軸系數(shù)為1.25時,3/8、拱頂截面處豎向變形最小,1/8、1/4截面處豎向變形最大;拱軸系數(shù)為1.75時,3/8、拱頂截面處豎向變形最大,1/8、1/4截面處豎向變形最??;拱軸系數(shù)為1.45時,豎向變形均位于居中水平。從變形角度看,拱軸系數(shù)為1.25時,主拱豎向剛度最大,為最優(yōu)方案。

        4 結論

        通過以上分析主要得出以下結論:

        (1)恒載作用下,矢跨比對主拱上、下弦彎矩影響較小,對上、下弦軸力及軸力差影響較大。上、下弦軸力及軸力差均隨著矢跨比增加而減小,從內(nèi)力角度看,矢跨比取1/4較合適。

        (2)在恒載+活載作用下,主拱豎向變形隨著矢跨比增加而減小,矢跨比1/4時主拱豎向剛度最大,變形最小。

        (3)從結構內(nèi)力與變形來看,矢跨比1/4方案優(yōu)于其它方案,但矢跨比選擇還需要考慮景觀、經(jīng)濟性方面的因素。對山區(qū)大跨徑拱橋,兩岸接線標高影響橋面位置,而橋位地形、地質、岸坡穩(wěn)定條件決定拱座基礎位置,受上述因素影響,本橋拱座位置較高,距橋面較近,雖為中承式拱橋,實則更接近下承式的立面效果。若采用矢跨比為1/4方案,則橋面以上主拱高度較大,視覺穩(wěn)定性較差且顯得沉重,景觀效果較差,同時主拱用鋼量也較大,經(jīng)濟性較差。故綜合考慮結構受力、景觀效果及經(jīng)濟性,本橋主拱矢跨比采用1/4.5。

        (4)恒載作用下,拱軸系數(shù)僅對拱腳及附近位置的主拱上、下弦彎矩影響較大,其余位置影響較小。在拱腳處,隨著拱軸系數(shù)由1.25變化至1.45,彎矩絕對值逐漸減??;而隨著拱軸系數(shù)由1.55變化至1.75,彎矩絕對值又逐漸增大。從彎矩角度看,拱軸系數(shù)1.45、1.55較合適。

        (5)恒載作用下,拱軸系數(shù)對上、下弦軸力及軸力差影響較大,隨著拱軸系數(shù)增大,主拱不同位置的上、下弦軸力及軸力差表現(xiàn)出或增或減的不同變化規(guī)律,而拱軸系數(shù)1.45的變化曲線適中位于所有曲線中間,說明此拱軸系數(shù)時,上、下弦軸力及軸力差在整個主拱范圍內(nèi)分布較為均勻、適中。故基于軸力考慮,拱軸系數(shù)選取1.45較為合適。

        (6)在恒載+活載作用下,1/8、1/4截面處主拱豎向變形隨著拱軸系數(shù)增加而減小,3/8、拱頂處主拱豎向變形隨著拱軸系數(shù)增加而增大。拱軸系數(shù)為1.25時,拱頂豎向變形最小,主拱豎向剛度最大。

        (7)綜合對比主拱軸力、彎矩及變形分析結果,本橋拱軸系數(shù)取為1.45較為合適。

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