小跨徑鋼管混凝土拱橋的設計與計算方法分析

陳 天 保

(山西省交通建設工程監理總公司，山西 太原 030012)

小跨徑鋼管混凝土拱橋的設計與計算方法分析

陳 天 保

(山西省交通建設工程監理總公司，山西 太原 030012)

以某45 m跨徑組合的下承式鋼管混凝土系桿拱橋為研究對象，介紹了其上部結構的布置形式及施工技術，探討了其在鋼管混凝土拱橋“統一理論”下的計算方法，使該拱橋的設計滿足了相關規范要求。

系桿拱橋，結構設計，拱肋，承載力

0 引言

鋼管混凝土系桿拱橋是將鋼管內填充混凝土，由于鋼管的徑向約束而限制受壓混凝土的膨脹，使混凝土處于三向受壓狀態，從而顯著提高混凝土的抗壓強度。本著承載能力大，跨越能力強，受力簡單及結構輕盈美觀的優點在大跨徑山區道路建設上得到了長足的應用，但在中小跨徑橋型中由于成本的制約關系應用較少。本文以某一市政設計橋梁45 m跨徑組合的下承式鋼管混凝土系桿拱橋為分析對象，該橋為跨越一條小河，滿足景觀設計要求而設。橋面寬度10 m，橋長為50 m，設計荷載為城—A級[1，2]。

1 橋梁結構設計及施工

1.1 橋梁結構設計

為滿足JTG/T D65—06—2015公路鋼管混凝土拱橋設計規范第3.4條的規定，鋼管混凝土截面采用單管截面，鋼管外徑為800 mm，壁厚14 mm，材質為Q345耐候鋼，內填C40微膨脹混凝土；為滿足橫向兩根主拱圈穩定性設置兩根風撐，風撐鋼管截面外徑為600 mm，壁厚為12 mm；拱圈矢高為9 m，矢跨比為1∶5。吊桿采用OVMLZM55成品吊桿錨具，順橋向間距5 m，與中橫梁間距對應，共計4對，吊桿采用單端張拉，拱頂張拉，系桿底錨固。系桿采用變截面形式，跨中截面形式為140 cm×120 cm，拱腳為180 cm×120 cm。

橋梁縱橫向布置如圖1所示。

1.2 橋梁結構整體施工方法及要點

本橋下部結構施工完畢后，上部結構采用支架現澆完成橋面混凝土施工，吊桿初張拉力采用分批張拉，成橋后拆除支架，進行二次張拉吊桿[3-5]，吊桿編號如圖2所示，具體施工步驟如下：

1)完成下部結構施工及搭設支架。平整場地，完成橋臺樁基礎及橋臺施工；搭設主橋施工支架。

2)完成橋面行車道板預制。

3)完成系桿和橫梁混凝土在支架上澆筑；待養護完成后，張拉系桿、墩頂橫梁第一批預應力束。

4)安裝預制橋面行車道板。

5)分段吊裝主拱圈鋼管。主拱圈鋼管與拱座定位應準確，待定位完成再澆筑拱座混凝土，待混凝土養護完成后，再吊裝拱頂段鋼管。

6)澆筑拱圈混凝土。澆筑主拱圈混凝土確保混凝土密實，避免混凝土凝固后與主拱圈脫空。

7)分批初張拉吊桿，吊桿張拉順序為4→3→2→1。

8)拆除支架，完成體系轉換。

9)二次張拉吊桿，吊桿張拉順序為4→3→2→1。

10)完成二期鋪裝。

11)收縮徐變，后期運營。

2 橋梁結構計算

本文鋼管混凝土采用“統一理論”進行計算分析。“統一理論”就是把鋼管混凝土視為一種組合材料，用構件的整體幾何特性和鋼管混凝土的組合性能指標來計算構件的各項承載力，不再區分鋼管和混凝土[7]。

2.1 拱肋承載力計算

按照JTG/T D65—06—2015公路鋼管混凝土拱橋設計規范第5.2條規定，鋼管混凝土偏心受壓構件的承載力按式(1)驗算[7]：

γN≤φlφeKpKdfscAsc

(1)

按照本橋結構特點及拱肋截面尺寸，經計算可知：

φl=0.9；φe=0.88；Kp=0.9；Kd=0.95；

fsc=44.3 MPa；Asc=0.502 4 m2。

將上述代入式(1)可得：

R=φlφeKpKdfscAsc=15 089 kN。

主橋采用MIDAS CIVIL有限元軟件建模分析，主拱圈內力分布如圖3所示，主拱肋單元分布為1號及18號單元為拱腳單元，9號單元為拱頂單元，其余單元為拱腳(拱頂)到拱頂(拱腳)過渡單元。

計算結果表明：承載能力極限狀態下，拱肋軸向壓力最大值為6 374.7 kN，小于結構抗力R=15 089 kN，滿足規范JTG/T D65—06—2015公路鋼管混凝土拱橋設計規范第5.1.3條規定。

2.2 拱肋應力計算

按照上述計算方法，計算主拱肋成橋狀態下的應力分布如圖4所示。 可以看出，成橋狀態主拱肋應力分布較均勻，均為壓應力，最大拱腳壓應力為17.3 MPa，最小拱頂壓應力為12.7 MPa；均小于44.3 MPa，滿足JTG/T D65—06—2015公路鋼管混凝土拱橋設計規范的設計要求[6，7]。

2.3 拱肋撓度驗算

按照上述計算方法，計算活載作用下主拱肋撓度值為13.3 mm(位于L/4處，正負撓度之和)，遠小于規范容許值，滿足JTG/T D65—06—2015公路鋼管混凝土拱橋設計規范第6.2.1條規定[7]。

2.4 拱肋穩定性驗算

按照上述分析模型，建立屈曲分析模型，從穩定分析模型的分析結果可以看出，結構的穩定系數均大于4，滿足JTG/T D65—06—2015公路鋼管混凝土拱橋設計規范第5.9.1條規定[7]。

3 結語

1)鋼管混凝土系桿拱橋按照上述擬取結構尺寸滿足在小跨徑橋跨組合上的應用；其計算結果滿足鋼管混凝土采用“統一理論”進行計算的要求。2)小跨徑組合鋼管混凝土系桿拱橋可以采用2次張拉吊桿力使結構滿足使用要求。

[1] 杜 英.鋼管混凝土系桿拱橋的設計和施工[J].橋梁建設，2004(1)：36-38.

[2] 陳寶國.鋼管混凝土拱橋設計與施工[M].北京：人民交通出版社，2003.

[3] 彭宣茂.系桿拱橋吊桿初始張拉力的計算方法[J].水利水電科技進展，2000，20(6)：32-33.

[4] 四川省交通廳公路規劃勘察設計研究院.公路鋼管混凝土橋梁設計與施工指南[M].北京:人民交通出版社,2008.

[5] 邵旭東.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2003.

[6] JTG D62—2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[7] JTG/T D65—06—2015，公路鋼管混凝土拱橋設計規范[S].

Analysis on design and calculation method of small span steel tube concrete arch bridge

Chen Tianbao

(ShanxiTransportationConstructionEngineeringSupervisionCompany,Taiyuan030012,China)

Taking the through steel tube concrete tied arch bridge of a 45 m span composite as the research object, this paper introduced the layout types and construction technology of its upper structure, discussed the calculation method of it in steel tube concrete arch bridge “unified theory”, made the arch bridge design to meet the relevant regulations requirements.

tied arch bridge, structure design, arch rib, bearing capacity

1009-6825(2017)03-0182-02

2016-11-20

陳天保(1961- )，男，助理工程師

U448.22

A