鋼管混凝土拱橋預拱度的設置方法及影響因素

肖 銳 宮金明

0 引言

近年來,鋼管混凝土在拱橋方面已得到廣泛使用,現階段鋼管混凝土拱橋的設計仍然沿用以前圬工拱橋的規范方法,無法真實反映拱橋結構中鋼管混凝土的特點,JTJ 021-89公路橋涵設計規范[1](以下簡稱規范)也沒有給出具體的計算方法,尤其是在設計拱的預拱度時,圬工拱橋的估算方法更不能替代鋼管混凝土拱橋的預拱度。

鋼管混凝土拱橋的拱肋是主要承重結構,由鋼管內填混凝土做成,拱橋的恒載占全部荷載的比重較大,而且隨著跨徑的增大,恒載所占的比重還將增大。因此,以恒載壓力線作為設計拱軸線,可以認為基本是適宜的。但是,即使僅在恒載作用下,拱肋本身的軸線還將因材料的彈性壓縮而變形,致使拱肋的實際壓力線與原來設計的拱軸線仍會發生偏離。因此,在拱橋設計時,應考慮在確定設計拱軸線時還要設置施工預拱度。

預拱度設置的大小要根據拱橋在自重及其他荷載作用下的撓度來確定,通過設置預拱度的方法來抵消拱軸在荷載作用下的變形,使拱橋的拱軸線在使用階段盡量與壓力線接近,這樣拱肋才能處于好的受力狀態,材料才能得到充分的利用。

1 拱軸線的幾種偏離形式

在拱橋的施工和運營中,往往會發生拱軸線偏離設計拱軸線的情況,特別是對于已建成運營一段時間的中小跨徑鋼筋混凝土拱橋,拱頂下沉是普遍存在的問題。總結已有中小跨徑拱橋的調查資料,拱軸線偏離設計拱軸線的形式主要有以下幾種:

拱橋在施工荷載作用下,早期脫架的懸鏈線主拱圈撓度曲線呈“M”形變化,即在拱頂產生下撓、兩邊1/8處上升,所以一般在施工中設置預拱度。但是在施工中沒有考慮預拱度或是預拱度設置不足的中小跨徑拱橋,一般會存在如圖1所示的拱軸線變形情況。

對小跨度拱橋,如果矢跨比較小,在跨中荷載作用下(往往是不利荷載布置),跨中局部下撓,其他部位均勻向下變形,如圖1a)所示。如果矢跨比較大或大跨徑拱橋在均布荷載或跨中荷載作用下,跨中局部下撓,大約在1/4拱跨(或 3/4拱跨)與1/8拱跨(或7/8拱跨)之間局部向上鼓肚,如圖1b)所示。

建成后的拱橋,在恒載作用以及材料的彈性收縮變形下,拱軸線上各點會產生均勻下沉現象。其變形后的拱軸變線形如圖2所示,拱橋的這種變形基本上接近二次拋物線分布。

在已建成的現有拱橋中,多數拱橋存在拱腳水平位移。對于超靜定無鉸拱橋,拱腳位移會在拱內產生很大的附加內力。在拱腳水平位移的情況下,拱軸線也會發生改變,將會偏離原設計拱軸線。偏離后的拱軸線如圖3所示。

2 預拱度設置的影響因素

在鋼管混凝土拱橋的施工過程中及成橋后,拱肋由于很多因素的影響,將產生彈性變形和非彈性變形,諸如拱架產生的下沉,拱肋達到強度要求而卸落拱架后,拱肋由于承受自重、溫度變化及墩臺位移等因素影響,也要發生下沉,這些因素將導致拱軸線發生變位,使最終的拱橋拱軸線無法符合設計要求。拱軸線的變化是預拱度大小的設置依據,下面為影響拱軸線變化的主要因素[2-4]:1)由結構重力引起梁或拱肋的彈性撓度,以及1/2的汽車荷載(不計沖擊力)引起梁或拱圈的彈性下沉;2)超靜定結構由混凝土硬化收縮、徐變及溫度變化而引起的下沉;3)承受推力的墩臺,由于墩臺的水平位移所引起的拱圈下沉;4)砂筒的非彈性引起的拱頂下沉;5)支架基礎在受載荷后的非彈性下沉;6)拱式排架在受載荷后彈性和非彈性下沉。

由于影響預拱度設置的因素很多,計算不可能很精確,施工時應根據計算值,結合施工實際進行適當調整。上面所述因素中,第2),3)條對拱橋(或超靜定結構)影響較大,第1)條在具體應用時要根據施工方法而定。

3 預拱度設置的幾種方法

施工控制中的預拱度有兩種定義:1)從建橋開始到竣工時,梁體產生撓度總和的反號值;2)從施工結束到收縮徐變終極,由收縮徐變產生撓度的反號值,該值由設計單位確定。確定了拱頂截面的預拱度值以后,其他截面的預拱度往往都按一定規律加以分配。在實際設計工作中,通常采用以下幾種分配方式[3]:

方法1:按三角形分配設置,見圖4。即拱頂截面的預留拱度為δ,拱腳軸線處為0,則中間各點鉛垂向的預拱度為:

方法2:按拱肋軸線縱坐標比例設置,見圖5。則各點預拱度為:

方法3:按二次拋物線設置,見圖6。各點的預拱度為:

方法4:按拱腳推力影響線比例設置,見圖7。各點的預拱度為:

方法5:按余弦平方曲線設置,預拱度曲線形式見圖8。各點的預拱度為:

4 結語

本文闡述了鋼管混凝土拱橋拱軸線在施工過程中、恒荷載及拱腳水平位移作用下的變化情況,并探討了影響拱軸線變化的幾種主要因素及預拱度設置的方法,可為該類拱橋的設計及施工提供參考。

[1]JTJ 021-89,公路橋涵設計通用規范[S].

[2]梁 鵬.鋼管混凝土拱橋拱肋預拱度的研究[D].武漢:武漢理工大學碩士學位論文,2004.

[3]JTJ 022-85,公路磚石及混凝土橋涵設計規范[S].

[4]CECS 28∶90,鋼管混凝土結構設計與施工規程[S].