超窄橋面鋼管混凝土拱橋關(guān)鍵技術(shù)研究

黃 毅

(中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 四川成都 610031)

超窄橋面鋼管混凝土拱橋關(guān)鍵技術(shù)研究

黃 毅

(中國中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 四川成都 610031)

平果右江大橋?yàn)橹骺?36m的中承式鋼管混凝土拱橋，橋面寬度僅6m，通過建立空間有限元模型，對結(jié)構(gòu)靜力和抗風(fēng)穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)整體剛度及顫振臨界風(fēng)速均滿足要求，并提出改善剛度的結(jié)構(gòu)措施，提出結(jié)構(gòu)扭彎頻率比和梁寬為影響顫振穩(wěn)定的關(guān)鍵參數(shù)。

鋼管混凝土拱橋; 整體剛度; 顫振穩(wěn)定性; 扭彎頻率比; 梁寬

廣西平果右江大橋?yàn)橹谐惺戒摴芑炷凉皹颍袄哂?jì)算跨徑136m，矢高27.2m，矢跨比1/5。拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)1.8。大橋?yàn)殇X土礦運(yùn)輸專用橋梁，拱肋采用啞鈴形斷面，高度1.5m，由上下兩根直徑60cm的鋼管組成，鋼管之間由腹板連接。鋼管及腹板內(nèi)灌注C50微膨脹混凝土。兩側(cè)拱肋中心距5.5m，拱肋之間設(shè)置四道“一”字形橫撐、八道“K”形撐及兩道“米”形撐。全橋共設(shè)有12對吊桿，縱向間距8m。橋面系寬6m，由橫梁、預(yù)制橋面板和后澆層共同組成，橫梁與吊桿連接，橫梁上縱向鋪設(shè)預(yù)制小Π梁。大橋總體布置如圖1所示。

圖1 橋梁總體布置(單位：cm)

1 有限元分析模型

采用MidasCivil有限元程序建立了該橋的三維空間有限元模型，模型單元數(shù)為1 742，節(jié)點(diǎn)數(shù)為845，主橋拱肋和立柱采用梁單元模擬，橋面縱、橫梁采用梁格法劃分，吊桿采用只受拉的桁架單元模擬。空間有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元計(jì)算模型

2 關(guān)鍵技術(shù)問題

2.1 結(jié)構(gòu)剛度

本橋?yàn)殇X土礦專用運(yùn)輸橋梁，使用荷載較輕，主要包括運(yùn)輸設(shè)備荷載1.7kN/m，鋁土礦1.6kN/m，雙側(cè)檢修人行道荷載3.5kN/m。但運(yùn)營狀態(tài)下運(yùn)輸機(jī)設(shè)備對結(jié)構(gòu)變形要求比較嚴(yán)格：(1)運(yùn)輸機(jī)每個(gè)基礎(chǔ)上預(yù)埋鋼板的平面度誤差應(yīng)不大于5mm；(2)每個(gè)基礎(chǔ)整體的沉降量支柱基礎(chǔ)為不大于20mm，支腿基礎(chǔ)為不大于5mm；(3)輸送機(jī)線路上每個(gè)基礎(chǔ)的相對位移量為24m長度范圍內(nèi)應(yīng)不大于25mm；(4)帶式輸送機(jī)在橋面中心位置最大允許橫向振動(dòng)150mm。因此本橋在滿足承載能力要求的前提下，必須嚴(yán)格控制橋面變形，滿足運(yùn)輸設(shè)備要求。設(shè)計(jì)主要采用灌注鋼管混凝土和鋪設(shè)整體橋面系兩方面措施提高結(jié)構(gòu)剛度。

2.1.1 鋼管混凝土

對拱肋灌與不灌管內(nèi)混凝土進(jìn)行分析計(jì)算，考慮以下三種計(jì)算工況：(1)半跨滿布鋁土礦荷載；(2)全跨滿布鋁土礦荷載；(3)橫向風(fēng)力荷載。橋面結(jié)構(gòu)的豎向位移及一階穩(wěn)定系數(shù)如表1、表2所示。

表1 豎向位移匯總 mm

表2 一階失穩(wěn)模態(tài)及穩(wěn)定系數(shù)

結(jié)構(gòu)采用純鋼管截面形式時(shí)，在半跨鋁礦荷載下，橋面在24m長度范圍內(nèi)的豎向變形差值為40mm，不滿足設(shè)備要求的不大于25mm的要求；灌注管內(nèi)混凝土后，結(jié)構(gòu)剛度明顯提高，上述變形差值僅為15.1mm。結(jié)構(gòu)采用純鋼管截面形式時(shí)，橫向風(fēng)作用下，橋面扭轉(zhuǎn)引起的一組支腿在橫向兩個(gè)支點(diǎn)處的最大豎向位移差為4.6mm，接近設(shè)備要求的平面度誤差不大于5mm的要求；灌注管內(nèi)混凝土后，上述變形差值僅為2.4mm。

從一階失穩(wěn)模態(tài)也可看出，空鋼管截面結(jié)構(gòu)豎向剛度明顯較弱，一階穩(wěn)定系數(shù)僅為4.0，灌注鋼管混凝土后提高至11.7。綜上考慮結(jié)構(gòu)采用鋼管混凝土截面形式。

2.1.2 整體橋面系

整體橋面系由吊桿、橫梁、縱梁組成。橫梁為矩形截面，寬70cm，高60cm，長度6m。縱梁為Π形截面，梁高35cm，頂板厚10cm，肋寬30cm，縱向長度7.2m。拱肋吊裝合龍后，安裝吊桿和橫梁，然后從跨中和兩側(cè)相向、對稱吊裝縱梁，形成縱橫梁橋面體系。縱梁橫向分為兩片，預(yù)留50cm縱向濕接縫。縱梁斷面如圖3所示。

圖3 縱梁斷面(單位：cm)

縱梁端部直接擱置在橫梁上，預(yù)留30cm橫向濕接縫。全橋縱梁吊裝完畢后，澆筑縱、橫向濕接縫，使縱、橫梁連接形成整體。再澆筑10cm的橋面整體后澆層，完成橋面系施工。最后施工C40纖維混凝土橋面鋪裝層。通過將縱橫梁連接形成整體橋面系，提高橋面系剛度，改善橋面變形，滿足運(yùn)輸使用要求。

2.2 抗風(fēng)穩(wěn)定性分析

本橋?yàn)殇摴芑炷两Y(jié)構(gòu)，橋面系及拱上立柱均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，整體剛度較大，幾何非線性問題并不突出，因此靜力抗風(fēng)穩(wěn)定性不存在問題。但由于使用功能對橋面寬度要求較小，橋面寬度只有6m，而拱肋跨度136m，寬跨比達(dá)到1/22.7，屬于典型的窄橋，必須重視橫風(fēng)顫振穩(wěn)定問題。為了研究影響抗風(fēng)穩(wěn)定的主要因素并優(yōu)化參數(shù)，本文分析仍套用適用于流線型截面的古典耦合顫振檢算公式，其研究結(jié)果仍然可以在一定程度上反映大橋的抗風(fēng)顫振穩(wěn)定問題。

2.2.1 顫振穩(wěn)定的分析方法

1935 年，Theodorson首先從理論上研究了薄平板的空氣作用力，用勢能理論求得了作用于振動(dòng)平板上的非定常空氣力的解析表達(dá)式。1976 年，VanderPut提出了平板顫振臨界風(fēng)速Vcr的簡化計(jì)算公式[1]：

(1)

(2)

式中：Vco為臨界風(fēng)速(m/s)；Vcr為考慮形狀系數(shù)折減后的臨界風(fēng)速(m/s)；ε為扭彎頻率比，ε=ωt/ωb，ωb為抗彎基頻，ωt為抗扭基頻；μ為橋面質(zhì)量與空氣的密度比，μ= m/(πρb2)，ρ= 0.125kg/m3，m為橋面每延米的質(zhì)量；r/b為橋面慣性半徑比，r=(Im/m)1/2，Im為橋面每延米質(zhì)量慣性矩(kg×m2/m)，b為梁半寬(m)；ηs、ηα為形狀系數(shù)，本橋梁部寬高比達(dá)到12，可近似看作平板，取ηs=1，ηα=1。

通過計(jì)算，得到該橋的自振頻率和振型，結(jié)果如表3所示。

計(jì)算結(jié)果表明，該橋第一階振型固有頻率達(dá)到0.469Hz，表明其整體剛度較大。相對而言，該橋的側(cè)向剛度要弱一些，第一階振型首先發(fā)生了平面外正對稱側(cè)彎, 拱肋與橋面系的面外撓曲剛度小于豎向撓曲剛度, 表現(xiàn)出較為明顯的窄橋特征。在風(fēng)荷載作用下，橋梁的橫向振動(dòng)要大于豎向和扭轉(zhuǎn)方向。

表3 自振頻率和振型描述

與顫振計(jì)算相關(guān)的是第二階豎彎基頻0.525和第五階扭轉(zhuǎn)基頻0.874，利用VanderPut計(jì)算公式可得顫振臨界風(fēng)速Vcr=44.2m/s。橋址處設(shè)計(jì)風(fēng)速Vd=28m/s，風(fēng)速的脈動(dòng)影響及水平相關(guān)特性的修正系數(shù)μf=1.4，考慮到本橋設(shè)計(jì)使用壽命僅為30a，結(jié)構(gòu)重要性程度較低，取0.9倍折減系數(shù)，由公路抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范可得成橋狀態(tài)的顫振檢驗(yàn)風(fēng)速為：

(3)

顫振臨界風(fēng)速Vcr>[Vcr]，滿足抗風(fēng)穩(wěn)定要求。

2.2.2 提高顫振穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)參數(shù)研究

從VanderPut計(jì)算公式(1)分析可知，豎向彎曲頻率對結(jié)構(gòu)顫振穩(wěn)定具有不利影響。扭彎頻率比可以提高顫振臨界風(fēng)速，對顫振穩(wěn)定起有利作用。梁寬也是影響臨界風(fēng)速的一個(gè)因素。因此將扭彎頻率比ε和梁寬B作為兩個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究其對結(jié)構(gòu)顫振臨界風(fēng)速的影響。

計(jì)算采用鋼管內(nèi)灌注拱腳部分混凝土的方式改變結(jié)構(gòu)剛度，提高扭轉(zhuǎn)基頻并對豎向基頻影響相對較小，從而提高扭彎頻率比。同時(shí)增加梁寬，考察其對臨界風(fēng)速的影響。結(jié)果如表4所示。

計(jì)算結(jié)果表明：

(1)橋面梁寬均為4.6m時(shí)，灌注拱腳段混凝土后結(jié)構(gòu)扭彎頻率比ε有所增加，顫振臨界風(fēng)速相應(yīng)提高。橋面梁寬均為6m時(shí)具有同樣的規(guī)律；

(2)拱肋不灌注混凝土，為純鋼管結(jié)構(gòu)時(shí)，梁寬由4.6m增加到6m，間接提高了扭彎頻率比，顫振臨界風(fēng)速相應(yīng)提高。拱肋灌注拱腳段混凝土?xí)r具有同樣的規(guī)律。

3 結(jié)論

平果右江大橋具有使用荷載輕、橋面變形要求嚴(yán)的特點(diǎn)，大橋設(shè)計(jì)受剛度控制。同時(shí)橋面寬度極窄又帶來橫風(fēng)顫振穩(wěn)定問題。通過對大橋進(jìn)行動(dòng)靜力計(jì)算分析，得出以下結(jié)論：

表4 扭彎頻率比及梁寬對臨界風(fēng)速的影響

(1)采用灌注管內(nèi)混凝土和形成整體橋面系的結(jié)構(gòu)措施，可以極大的提高結(jié)構(gòu)整體剛度，改善橋面變形。

(2)對于橋面寬度窄、橋面板厚度薄的此類結(jié)構(gòu)，必須進(jìn)行橫向風(fēng)顫振穩(wěn)定計(jì)算，保證結(jié)構(gòu)顫振臨界風(fēng)速大于檢驗(yàn)風(fēng)速。

(3)提高結(jié)構(gòu)的扭彎頻率比，能夠有效地改善顫振穩(wěn)定問題，同時(shí)適當(dāng)?shù)脑黾訕蛎鎸挾纫彩怯欣摹?/p>

[1] 項(xiàng)海帆．現(xiàn)代橋梁抗風(fēng)與實(shí)踐[M]．北京：人民交通出版社，2005

[2] 李國豪．橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動(dòng)[M]．北京：中國鐵道出版社，2003

[3]JTG/TD60-01-2004 公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]

[4] 項(xiàng)海帆，林志興．大跨度橋梁顫振穩(wěn)定性的簡化判別[J]．同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，22(4)：409-414

黃毅，男，工程師，研究方向?yàn)闃蛄汗こ獭㈣F路大跨橋梁結(jié)構(gòu)。

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[定稿日期]2014-07-10