夜郎湖大橋勁性骨架腹桿構造形式優化研究

鄒鵬輝，謝長洲

(重慶交通大學 土木建筑學院，重慶 400074)

夜郎湖大橋勁性骨架腹桿構造形式優化研究

鄒鵬輝，謝長洲

(重慶交通大學 土木建筑學院，重慶 400074)

腹桿構造形式對勁性骨架自身受壓穩定性及懸澆段與勁性骨架接頭受力行為影響顯著。貴州夜郎湖大橋擬采用懸臂澆筑與勁性骨架組合法施工，文章依托該工程實例，針對4種較合理的勁性骨架腹桿構造形式，從勁性骨架腹桿受壓穩定性及懸澆段與勁性骨架接頭受力行為兩方面對腹桿構造形式進行了優化分析。

組合施工法；勁性骨架；接頭；腹桿；優化研究

0 引言

近年來國內采用懸臂澆筑法陸續建成了四川白沙溝1號大橋(150 m，2008年)、攀枝花新密地大橋(182 m，2013年)、貴州木蓬大橋(165 m，2013年)。國內外研究表明，隨著拱橋跨度的增大，懸掛拱圈節段的扣索力呈級數倍增。采用懸臂澆筑與勁性骨架相結合的施工方法，即拱腳區段采用掛籃懸臂澆筑法施工、跨中區段先用勁性骨架合龍成拱，再澆筑外包混凝土，不但可以縮短拱圈懸臂澆筑段長度，降低對扣錨系統的要求，而且可以盡快實現拱圈合龍，減少施工風險，縮短建設工期。

貴州夜郎湖大橋擬采用懸臂澆筑與勁性骨架組合法施工，勁性骨架腹桿構造形式對自身受壓穩定性及懸澆段與勁性骨架接頭受力行為影響顯著。本文開展了勁性骨架腹桿構造形式的研究，既可以指導依托工程的設計和施工，也可以為類似工程提供借鑒資料。

1 工程概況

貴州夜郎湖大橋是一座凈跨210 m、凈矢高42 m、拱軸系數m=1.677的鋼筋混凝土拱橋(見圖1)。主拱圈采用單箱單室截面，高3.5m，寬7.0m，頂底板厚40cm，腹板厚50cm，C50混凝土。勁性骨架弦桿采用熱軋H型鋼HW400×408×21×21，腹桿、平聯采用4片L75×10角鋼組成。勁性骨架上、下弦桿埋入拱箱混凝土長2.5m。

夜郎湖大橋自拱腳兩側各91m跨度范圍內采用懸臂澆筑法施工，跨中勁性骨架段長28m。先架設勁性骨架合龍成拱，再澆筑外包混凝土。

圖1 夜郎湖大橋勁性骨架 架設完成階段示意圖

2 原設計勁性骨架腹桿構造需優化的緣由

夜郎湖大橋原設計勁性骨架腹桿構造形式如圖2～3所示。

圖2 夜郎湖大橋原設計勁性骨架立面圖(單位：mm)

圖3 夜郎湖大橋原設計勁性骨架平面圖(單位：mm)

采用懸臂澆筑與勁性骨架組合法施工的拱橋，主拱圈懸臂澆筑段與勁性骨架接頭處受力復雜，是設計的關鍵部位，需進行精細化受力分析。依據接頭精細化實體模型計算結果，上、下弦桿均承受10t向下的剪力作用(單根弦桿在各施工階段所受最大剪力約為10t)。上弦桿錨固點處接頭混凝土為壓應力，下弦桿錨固點處接頭混凝土為拉應力，因此，接頭下弦桿錨固點在較小的剪力作用下可能會導致接頭混凝土局部崩裂，而接頭上弦桿錨固點不存在接頭混凝土受剪局部崩裂的問題。

此外，通過對夜郎湖大橋(原設計勁性骨架)進行施工階段穩定性分析(勁性骨架段外包混凝土底板+1/2腹板澆筑階段，以該階段外包混凝土底板+1/2腹板濕重為基本荷載)，發現前幾階失穩均為勁性骨架腹桿失穩，且均為斜腹桿(壓桿)失穩，可知斜腹桿(壓桿)是施工過程中最易發生失穩的部位。第1階屈曲模態圖見圖4，臨界荷載系數為5.316>4(第2階屈曲模態為對稱位置的腹桿屈曲，屈曲荷載系數5.326，因是數值分析結果，視為與第1階屈曲荷載系數相同)，雖然原設計勁性骨架腹桿構造滿足規范規定的施工階段穩定性要求，但由于施工階段荷載的不確定性，為進一步確保施工階段安全，可改善腹桿構造以進一步提高勁性骨架的穩定系數，從而提高全橋整體在施工過程中的穩定性。

圖4 外包混凝土底板+1/2腹板澆筑階段 第1階屈曲模態圖(原設計勁性骨架)

因此，本文從懸澆段與勁性骨架接頭受力行為及勁性骨架腹桿受壓穩定性能兩方面進行腹桿構造形式優化。

3 腹桿合理構造形式

借鑒國內外采用勁性骨架組合法施工及全勁性骨架法施工的已建拱橋工程實例，經有限元試算并統計，3種較合理的勁性骨架腹桿構造形式見圖5～7。

圖5 腹桿構造形式2示意圖

圖6 腹桿構造形式3示意圖

圖7 腹桿構造形式4示意圖

依據結構力學原理，因勁性骨架受力行為與桁架結構相近。可將圖2～3、圖5～7所示的勁性骨架腹桿合理構造形式簡化為圖8～11的簡化力學模型進行理論分析(簡化力學模型可無限增加循壞桿件，同類桿件受力相同)。跨中區傳遞的相同剪力F作用下勁性骨架各桿件所受內力如圖中所示。

4 基于懸澆段與勁性骨架接頭抗剪的腹桿構造形式優化

依據懸澆段與勁性骨架接頭精細化實體模型(見圖12)計算結果，如圖13所示，相同剪力作用下，上弦桿錨固點處接頭混凝土基本為壓應力；而下弦桿錨固點處接頭混凝土較大區域產生主拉應力，可能引發接頭混凝土局部崩裂，構造形式1(原設計)的斜腹桿為壓桿，勁性骨架跨中區的剪力以斜腹桿軸向壓力豎向分力的形式傳至下弦桿錨固點。所以，構造形式1對于接頭抗剪不利。因此，可采用腹桿構造形式2(見圖9)，利用斜腹桿(拉桿)將剪力“引”至接頭上弦桿錨固點，從而減緩下弦桿處接頭混凝土受剪崩裂的壓力。

構造形式3、4的斜腹桿既有拉桿又有壓桿，雖其斜腹桿內力是構造形式1、形式2的斜腹桿內力的1/2。但仍有剪力以斜腹桿軸向壓力豎向分力的形式傳至下弦桿錨固點。因此，構造形式2為懸澆段與勁性骨架接頭抗剪最優形式。

圖12 半寬拱圈接頭精細化實體模型圖

圖13 上、下弦桿剪力作用下接頭混凝土主拉 應力云圖 (單位：Pa，彩色區域超過0.5 MPa)

5 基于受壓穩定性的腹桿構造形式優化

勁性骨架在相同剪力F作用下，腹桿受力狀況如表1所示。

表1 腹桿受力狀況統計表

由表1可知，原設計勁性骨架腹桿的相對穩定系數最小，構造形式2、形式3和形式4腹桿的相對穩定系數基本相同。構造形式3和形式4豎腹桿為零桿，因構造形式4的豎腹桿與斜腹桿相交，有助于提高斜腹桿的穩定性，故構造形式4優于構造形式3；但構造形式3、形式4的斜腹桿材料用量比構造形式1、形式2的多一倍。

以下通過有限元程序驗證表1所示受壓腹桿相對穩定系數理論分析結果，當勁性骨架腹桿采用構造形式2，重新對夜郎湖大橋進行施工階段穩定性分析(勁性骨架段外包混凝土底板+1/2腹板澆筑階段，同樣以該階段外包混凝土底板+1/2腹板濕重為基本荷載)。此時，前10階失穩均為勁性骨架豎腹桿失穩。第11階失穩為勁性骨架下弦桿失穩，圖14所示為第1階屈曲模態，臨界荷載系數為7.861(7.861≠31.25/16×5.316=10.383，原因在于勁性骨架簡化為桁架結構帶有較大的近似性)，大于原設計勁性骨架在相同工況下的臨界荷載系數5.316，證明了針對受壓穩定性的腹桿構造形式優化是有效的。

圖14 外包混凝土底板+1/2腹板澆筑階段 第1階屈曲模態示意圖(腹桿構造形式2)

6 結語

對于懸澆段與勁性骨架接頭抗剪，構造形式2為最優形式。對于腹桿受壓穩定性及其材料用量綜合情況，構造形式2亦為最優形式。因此，采用懸臂澆筑與勁性骨架組合法施工的拱橋勁性骨架腹桿宜采用構造形式2。

[1]土木工程學會，結構工程協會，大跨度混凝土拱橋設計方法研究委員會.600m級大跨度混凝土拱橋設計·施工[Z].2003.

Optimization Study on Rigid Skeleton Web-rod Structure Form of Yelang Lake Bridge

ZOU Peng-hui，XIE Chang-zhou

(School of Civil Engineering and Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing，400074)

The web-rod structure form has a significant effect on its own compressive stability of rigid skeleton and on the force action of joints between rigid skeleton and cantilever casting section.Guizhou Yelang Lake Bridge intends to adopt the combination construction method of cantilever pouring and rigid skeleton，thus relying on this engineering example，regarding four reasonable rigid skeleton web-rod structure forms，this article conducted the optimization analysis on the web-rod structure forms from two aspects，i.e.web-rod compression stability of rigid skeleton，and the force action of joints between cantilever casting section and rigid skeleton.

Combination construction method；Rigid skeleton；Joints；Web rods；Optimization study

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.06.011

1673-4874(2015)06-0044-04

2015-05-07

鄒鵬輝，碩士研究生，主要從事拱橋設計理論及施工控制技術研究工作。

貴州省交通運輸廳科技項目“懸臂澆筑與勁性骨架組合的大跨度砼拱橋技術關鍵與示范”(2014-121-033)