鋼管混凝土桁架拱橋橫向偏移時的穩(wěn)定性分析

胡啟升

(川鐵國際經(jīng)濟(jì)技術(shù)合作有限公司，四川成都610032)

1 概述

1.1 橋式結(jié)構(gòu)

大橋位于川西的V型河谷地區(qū)，由主橋和引橋兩部分組成，主橋結(jié)構(gòu)形式為中承式鋼管混凝土桁架拱，計(jì)算跨度200m。設(shè)計(jì)荷載:汽－超20級，掛－120級，人群3.5 kN/m2;設(shè)計(jì)車速:40 km/h;地震烈度:7度(按8度設(shè)防)。橋面凈寬24.1m，其中行車道寬15.0m，橋梁縱、橫坡分別為1%和1.5%。

拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)為1.756，矢跨比為1/4.5。拱肋采用桁架式，豎向高度為3.5m，跨度為1.8m，上、下弦桿由兩根直徑為750mm的鋼管，鋼管通過綴板組成啞鈴形斷面，再通過豎向腹桿和斜腹桿組成空間桁架結(jié)構(gòu)，拱肋間距17.5m，上下弦管管壁厚度為12mm，綴板厚度為16mm，腹桿均為直徑為351mm、厚10mm的無縫鋼管，鋼管內(nèi)填充C40微膨脹混凝土;在拱軸與橋面相交段部位的拱肋為實(shí)心截面，其內(nèi)填充C50混凝土;橋面系至拱腳段，為防止鋼管拱肋銹蝕和防止漂浮物撞擊，采用空心箱形結(jié)構(gòu)，外包C50混凝土。為了保證拱肋的橫向穩(wěn)定性，拱肋之間設(shè)置11道風(fēng)撐，其中橋面以上及橋面以下實(shí)心段各設(shè)置7道和2道空鋼管構(gòu)成的桁架梁風(fēng)撐，拱腳以上設(shè)置鋼筋混凝土K撐2處。拱肋采用節(jié)段預(yù)制懸吊拼裝，每肋分七段預(yù)制。安裝從兩岸上、下游拱肋同步對稱進(jìn)行。空管合龍后分節(jié)段灌注混凝土。吊桿橫梁及立柱橫梁為部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。吊桿為平行高強(qiáng)鋼絲束，外套PE防護(hù)材料。橋式結(jié)構(gòu)見圖1所示。

1.2 大橋施工及成橋狀態(tài)

該橋在吊裝安裝階段，以吊裝節(jié)段接頭處吊桿中心線測量，橋軸線滿足設(shè)計(jì)要求;灌注混凝土之后，橋軸線偏移最大位移136mm，約為跨度的1/1 600。橋面板吊裝完成之后，測量結(jié)果基本未發(fā)生變化。三個月后，經(jīng)檢測后發(fā)現(xiàn)，下游拱肋仍向上游偏移;上游南岸拱肋也向上游偏移，上游北岸拱肋向下游偏移;南岸上下游拱肋均向上游偏移，且偏位大的均集中在4#～12#吊桿，上游10#偏位106mm，下游8#偏位128mm。測量橋軸線偏位如圖2所示。

圖1 橋式結(jié)構(gòu)

圖2 拱肋變形(mm)

2 檢算依據(jù)

《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》［1］(JTJ 021－89);《鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》［2］(DL/T 5085－1999);《大橋設(shè)計(jì)施工文件》;《大橋施工及竣工檢測報(bào)告》。

3 建模及結(jié)構(gòu)分析

3.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算圖示

根據(jù)該橋的橋梁結(jié)構(gòu)特性，采用梁單元模擬上、下弦管鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)和桁架之間的連接系，鋼管拱肋之間綴板采用梁單元模擬單位長度上的綴板剛度作為拱肋之間的連接剛度。鋼管混凝土主桁結(jié)構(gòu)和橋面系結(jié)構(gòu)之間采用桿單元連接。主桁單元和實(shí)腹填充混凝土拱腳之間過渡點(diǎn)采用剛性連接，將節(jié)點(diǎn)自由度約束一致。全橋共2603個單元，節(jié)點(diǎn)1122個，模型見圖3。

圖3 結(jié)構(gòu)模型

3.2 結(jié)構(gòu)分析

3.2.1 荷載分析

(1)重力:按照結(jié)構(gòu)實(shí)際使用的材料并對應(yīng)規(guī)范參數(shù)計(jì)算結(jié)構(gòu)重力。

(2)活載:分析過程中按照全跨滿載和偏載，以及半跨滿載和偏載的活載工況對結(jié)構(gòu)進(jìn)行活載加載，而后計(jì)算得到吊桿拉力，換算為吊桿處的節(jié)點(diǎn)荷載。活載結(jié)構(gòu)加載圖見圖4～圖7。

圖5 活載偏載滿載加載

圖6 活載正載半載加載

圖7 活載偏載半載加載

(3)風(fēng)荷載:按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》［1］(JTJ021－89)中2.3.8條計(jì)算結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載。按照各個桿件的實(shí)際截面面積施加為單元均布力。

圖8 風(fēng)荷載加載

3.2.2 工況分析

分析過程中按照全跨滿載和半跨滿載的活載工況進(jìn)行加載，分考慮風(fēng)荷載時的穩(wěn)定性和不考慮風(fēng)荷載時的穩(wěn)定性兩大類計(jì)算。

3.2.2.1 穩(wěn)定分析工況

工況1:結(jié)構(gòu)恒載+汽車活載(正載，滿載)

工況2:結(jié)構(gòu)恒載+汽車活載(偏載，滿載)

工況3:結(jié)構(gòu)恒載+汽車活載(正載，半載)

工況4:結(jié)構(gòu)恒載+汽車活載(偏載，半載)

工況5:結(jié)構(gòu)恒載+汽車活載(正載，滿載)+風(fēng)荷載

工況6:結(jié)構(gòu)恒載+汽車活載(偏載，滿載)+風(fēng)荷載

工況7:結(jié)構(gòu)恒載+汽車活載(正載，半載)+風(fēng)荷載

工況8:結(jié)構(gòu)恒載+汽車活載(偏載，半載)+風(fēng)荷載

3.2.2.2 應(yīng)力分析工況

汽車荷載按照汽－超20影響加載。

工況9:結(jié)構(gòu)恒載+汽車活載(正載)

工況10:結(jié)構(gòu)恒載+汽車活載(偏載)

工況11:結(jié)構(gòu)恒載+汽車活載(正載)+風(fēng)荷載

工況12:結(jié)構(gòu)恒載+汽車活載(偏載)+風(fēng)荷載

3.2.3 整體穩(wěn)定性分析方法

橋面系以外力形式作用于拱肋，略去其對拱的結(jié)構(gòu)約束作用;結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性計(jì)算按照考慮了結(jié)構(gòu)初始幾何缺陷(按照實(shí)際測量結(jié)果對拱軸線進(jìn)行修正)的二類穩(wěn)定方法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何非線性計(jì)算。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性系數(shù)定義為，該工況下結(jié)構(gòu)可變荷載的臨界值和可變荷載加載值的比值。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

表1 整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

4.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

4.2.1 主拱圈應(yīng)力

主桁架采用12mmQ345鋼管混凝土，設(shè)計(jì)彎曲容許應(yīng)力為210MPa，從各個工況計(jì)算出的應(yīng)力值來看，主桁架結(jié)構(gòu)鋼管應(yīng)力除變截面點(diǎn)和主桁架和風(fēng)撐結(jié)合位置外，其余各點(diǎn)均滿足設(shè)計(jì)要求。拱腳段外包混凝土應(yīng)力在各個工況下均為壓應(yīng)力，最大值為－14.1MPa，滿足C50混凝土抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度值要求。

4.2.2 吊桿應(yīng)力

從吊桿計(jì)算應(yīng)力來看，在正載作用工況時(工況9和工況11)，吊桿應(yīng)力比較均勻;在偏載和有風(fēng)作用時(工況10和工況12)吊桿應(yīng)力分布差異性比較大;在同時有偏載和風(fēng)荷載作用時(工況12)，為吊桿最不利工況。在此工況下，吊桿應(yīng)力最大值出現(xiàn)在短吊桿處(14#吊桿)，最大值為780MPa，吊桿最小應(yīng)力也出現(xiàn)在此工況下，另一側(cè)短吊桿(14#吊桿)幾乎松弛。此工況也為結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的不利工況，應(yīng)該予以控制。從強(qiáng)度角度來看，設(shè)計(jì)中吊桿采用φ5高強(qiáng)鋼絲，抗拉極限強(qiáng)度Rby=1670MPa，14#吊桿軸力安全系數(shù)為2.14，其余各吊桿安全系數(shù)均大于2.5，吊桿強(qiáng)度有較大富余，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 計(jì)算結(jié)果分析

5.1 動力及穩(wěn)定性分析

對主拱考慮結(jié)構(gòu)初始缺陷的幾何非線性二類穩(wěn)定分析，并綜合考慮橋跨結(jié)構(gòu)拱腳的實(shí)腹段和外包混凝土段作用情況下，結(jié)構(gòu)先發(fā)生橫向失穩(wěn)。已發(fā)生的結(jié)構(gòu)變形對結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性影響較小，且結(jié)構(gòu)現(xiàn)在的幾何線形在各種工況下的整體穩(wěn)定性安全系數(shù)最小值為26.1，大于4，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性良好。

5.2 靜力分析

主桁架計(jì)算最小安全系數(shù)為1.5;吊桿計(jì)算最大應(yīng)力為450MPa，安全系數(shù)最小為3.7，大于規(guī)范要求的2.5要求。因此，主桁架、混凝土及吊桿應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

由于活載和風(fēng)荷載同時出現(xiàn)極值的概率非常小，規(guī)范上無特別明確的組合規(guī)定，故活載和風(fēng)荷載組合計(jì)算結(jié)果僅作為了解結(jié)構(gòu)安全系數(shù)大小的資料，不作為判斷結(jié)構(gòu)是否滿足規(guī)范要求的依據(jù)。

從各個工況計(jì)算出的應(yīng)力值來看，考慮風(fēng)荷載時，主桁架結(jié)構(gòu)鋼管應(yīng)力除變截面點(diǎn)和主桁架和風(fēng)撐結(jié)合位置外，其余各點(diǎn)均滿足設(shè)計(jì)要求。拱腳段外包混凝土應(yīng)力在各個工跨下均為壓應(yīng)力，最大值為－14.1MPa，滿足C50混凝土抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度值要求。

在橋跨結(jié)構(gòu)承受偏載和風(fēng)荷載時，結(jié)構(gòu)處于最不利工況，個別吊桿出現(xiàn)最大拉應(yīng)力780MPa，安全系數(shù)為2.14，其余吊桿安全系數(shù)均大于2.5，吊桿強(qiáng)度有較大富余，滿足設(shè)計(jì)要求。

6 處理措施

6.1 主拱圈

根據(jù)施工監(jiān)測和加載試驗(yàn)報(bào)告，該橋結(jié)構(gòu)總體豎向剛度滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)總體工作基本正常;動載試驗(yàn)和空間計(jì)算表明目前全橋動力特性及動力響應(yīng)正常;靜載試驗(yàn)表明大橋結(jié)構(gòu)目前基本處于彈性工作狀態(tài)，空間靜力計(jì)算表明拱圈仍有較大富裕量。但靜載試驗(yàn)時，拱肋跨中下弦下緣應(yīng)力實(shí)測值大于計(jì)算值，可能是跨中段部分鋼管內(nèi)混凝土與鋼管有所脫空，造成該處鋼管混凝土剛度下降，應(yīng)力增加，必須采用特殊裂縫膠進(jìn)行灌注，填充鋼管與混凝土間隙。

6.2 橋面系

對破損橋面鋪裝進(jìn)行修復(fù)或局部更換，以避免車輛在橋上跳車造成對結(jié)構(gòu)的過大沖擊;對伸縮縫內(nèi)雜物進(jìn)行清除，保證伸縮縫正常工作。

6.3 大橋檢測

對大橋各部位質(zhì)量狀況進(jìn)行全面檢查，針對發(fā)現(xiàn)的問題，及時采取修復(fù)、補(bǔ)強(qiáng)和加固措施，保持大橋處于良好使用狀態(tài)。同時，為了全面掌握主拱圈的線型和橫向變位，在主橋拱肋上布置永久測量點(diǎn)，并在岸側(cè)建立永久控制測量網(wǎng)，對主橋拱肋橫向位移和線型進(jìn)行定期測量。建立大橋的工作狀況檔案，以便根據(jù)拱肋橫向變形發(fā)展?fàn)顟B(tài)作進(jìn)一步評價(jià)分析。

6.4 運(yùn)營措施

從橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營現(xiàn)狀來看，結(jié)構(gòu)長期承受超載和偏載車輛，部分吊桿長期處于高應(yīng)力狀態(tài)下，吊桿疲勞斷裂和應(yīng)力銹蝕問題不容忽視，應(yīng)整治橋面交通避免超載車輛通行并禁止超載車輛長期滯留橋上。

［1］ JTJ 021－89公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］

［2］ DL/T 5085－1999鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程［S］