三榀拱肋鋼管混凝土系桿拱橋結構設計分析

丁自明，陳雪峰

(1.蘇交科集團股份有限公司,江蘇 南京 210019；2.中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司,江蘇 南京 210031)

1 工程概況

該項目位于張家港市金港鎮境內,北面距長江約2公里,地貌特征為長江三角洲平原。本工程原橋為公路橋,原橋主橋為60m跨下承式鋼管砼系桿拱,橋面全寬25m。

因橋位處航道整治,航道等級提升為三級,通航凈空為(60×7)m。橋位處河口寬度約為100m,航道中心線與路線中心線夾角為83.5°,為減小跨徑,橋梁主橋采用80m跨下承式鋼管混凝土系桿拱,于水中設置橋墩。引橋為避開老橋橋墩及跨越現狀道路,采用25m部分預應力混凝土組合箱梁。新建橋梁跨徑布置為(4×25m)部分預應力混凝土組合箱梁+80m(計算跨徑)下承式鋼管混凝土系桿拱+(4×25m)部分預應力混凝土組合箱梁,橋梁全長289.68m。設計荷載為公路-Ⅰ級,橋寬30m。

圖1 鋼管混凝土系桿拱橋效果圖

2 橋梁結構設計

2.1 上部結構

主橋上部結構采用下承式鋼管混凝土系桿拱,計算跨徑80m,設三榀拱肋及系桿。系桿間凈距12.25m,橫梁懸挑4.5m。主橋拱軸線采用二次拋物線,矢跨比1/5,矢高16m。拱肋采用啞鈴型雙圓鋼管斷面,鋼管外徑Φ90cm,壁厚1.4cm,內充C40微膨脹混凝土；主跨縱橋向共設5道啞鈴型雙圓鋼管斷面的風撐,鋼管外徑60cm,壁厚1.0cm；系桿采用預應力混凝土箱形斷面,高2.0m,寬1.5m,頂板、底板和腹板厚均為0.30m,于拱腳處漸變為高3m的矩形斷面,系桿內設施工勁性骨架,邊拱系桿縱向配置12束13ΦS15.2和4束11ΦS15.2鋼鉸線,中拱系桿縱向配置2束13ΦS15.2和14束11ΦS15.2鋼鉸線。中橫梁間距4.8m,為預應力砼T形梁,高68.5cm～150cm,肋寬0.5m,全橋共設15道。每片中橫梁內配2束7φS15.2和4束5φS15.2鋼絞線。端橫梁為預應力混凝土箱型梁,梁高108.5cm～190cm,寬230cm,壁厚40cm,全橋共設2道。每片端橫梁內配4束9φS15.2和2束5φS15.2鋼絞線。吊桿采用PESFD7-73索體,外套管均采用Φ24.5cm鋼管,壁厚1cm。吊桿采用LZM吊桿系統,該吊桿系統采用PES(FD)低應力防腐索體[1],具有安全、可靠的抗疲勞性能和防腐性能,便于施工；吊桿間距4.8m,全橋共計45根吊桿。橋面板采用高0.30m的鋼筋混凝土空心板,在T梁頂澆筑橫橋向0.5m的濕接頭形成整體。

引橋采用25m先簡支后結構連續的部分預應力組合箱梁,預制箱梁高1.4m,單幅橋橫橋向由6片梁組成,橋面橫坡由蓋梁形成,上設現澆8cmC50水泥混凝土現澆層+10cm瀝青混凝土鋪裝。為了減輕安裝重量和增加橫向整體性,在各箱之間設橫梁,濕接縫連接。每聯端部橫梁部分與箱梁同時預制,各中間墩頂橫梁采用現澆施工。為了滿足錨具布置的需要,箱梁端部在箱內側方向加厚,腹板內預應力鋼束除豎向彎曲外,在主梁加厚段尚有平面彎曲。

2.2 下部結構

主橋采用矩形三柱式墩,平面尺寸2.6m×3.0m,墩柱橫橋向間距13.75m,承臺高2.5m。單個承臺下采用雙排共4根Φ1.6m鉆孔灌注樁。

引橋采用Φ1.4m三柱式墩,Φ1.6m鉆孔灌注樁基礎,設1.0×1.2m系梁。橋臺采用重力式臺,下設1.5m厚承臺,基礎采用10根Φ1.2m鉆孔灌注樁。

3 主橋結構計算分析

3.1 模型建立

主橋結構空間靜力計算模型采用Midas Civil程序建立三維有限元模型進行計算。各桿件均采用梁單元模擬,按橋梁的實際施工過程進行模擬,對各施工及運營階段進行總體受力分析,共計采用937個單元,768個節點,計算模型如圖2。

圖2 主橋三榀拱肋系桿拱計算模型

成橋階段計算包括恒載、活載、人群荷載、風荷載、溫度荷載等工況,按規范進行最不利荷載組合[2][3]。一期恒載主要為拱肋、風撐、系桿、橫梁及吊桿結構自重；二期恒載主要考慮橋面板、橋面鋪裝及欄桿等附屬構造等。Q345鋼材容重為78.5kN/m3,混凝土容重為26kN/m3?；钶d、人群荷載、溫度梯度分別按照相關規范要求取用[2][4]。主橋體系升降溫均為25℃,梁索溫差為±8℃；風荷載取百年一遇風速27.1m/s；場地地震動峰值加速度為0.05g,場地抗震烈度為7度。

3.2 計算結果分析

3.2.1 構件的強度和穩定性計算[5]

在持久狀況極限狀態下,系梁、橫梁在荷載基本組合下的截面彎矩及剪力均小于其極限承載能力。

在短期效應荷載組合下正截面抗裂計算中,除拱腳部位外,系梁其他截面均未出現拉應力,滿足規范對全預應力構件的要求；中橫梁最大拉應力為1.02Mpa、端橫梁最大拉應力為0.75Mpa,均小于0.7ftk=1.855Mpa,滿足A類預應力砼構件規范要求。

在長期效應荷載組合下正截面抗裂計算中,系梁及中橫梁、端橫梁均全截面受壓,滿足規范要求。

在短期效應荷載組合下斜截面主拉應力抗裂計算中,系梁除拱腳部位外最大主拉應力為0.8Mpa,小于0.4ftk=1.06Mpa,中橫梁最大主拉應力為1.2Mpa,小于0.7ftk=1.855Mpa,端橫梁最大主拉應力為1.03Mpa,小于0.5ftk=1.325Mpa,均滿足規范要求。

在短暫狀況截面應力計算時,系梁壓應力均滿足規范要求,最大拉應力除拱腳區域外,滿足規范要求。中橫梁施工階段截面上緣最大拉應力為1.44Mpa,下緣最大拉應力1.49Mpa,根據JTG D62-2004規范7.2.8條,縱向鋼筋配筋率滿足規范要求。在短暫狀況下,系桿勁性骨架的最大拉應力小于135Mpa,滿足規范要求。

在持久狀況截面正應力計算時,在標準組合下,系梁最大壓應力為13.9Mpa,橫梁最大壓應力為13.0Mpa,均小于16.2Mpa,滿足規范要求。

在持久狀況截面主應力計算時,在標準組合下,系梁最大主壓應力為13.9Mpa,橫梁最大主壓應力為13.0Mpa,均小于19.44Mpa,滿足規范要求。

在持久狀況拱肋應力計算時,在荷載標準組合下,鋼管最大壓應力小于210Mpa,拱肋截面設置合理[6]。

根據靜力計算結果,施工階段,吊桿的最大拉力為1481kN,安全系數為3.2；標準組合下,吊桿的最大拉力為1658kN,其安全系數為2.83。兩種工況下,安全吊桿安全系數均大于2.5,滿足要求。

根據靜力計算結果,本橋在活載作用下的最大位移值為21.2mm,小于規范限值L/600,結構剛度滿足規范要求。

3.2.2 主橋結構穩定性計算

主橋成橋穩定計算考慮荷載包括自重、二期恒載、預應力、吊桿力、汽車荷載、人群荷載、溫度荷載等,并進行失穩模態分析。

圖3 第一階失穩模態

在成橋工況下,一類穩定安全系數K=5.5。根據工程實踐,面外穩定系數達到4.0以上,可以認為本橋穩定性滿足要求。

4 結論

采用三維有限元軟件建立主橋模型進行強度、穩定性驗算,計算結果表明：

(1)主橋上部結構剛度滿足規范要求,主橋抗彎、抗剪承載能力極限狀態均滿足規范要求。

(2)主橋系桿在短期效應組合下滿足規范對全預應力砼構件的要求,端橫梁和中橫梁滿足部分預應力砼A類構件的要求。

(3)系桿和橫梁持久作用下最大壓應力、最大主壓應力基本滿足規范要求。

(4)拱肋鋼管截面應力適中,滿足要求；主橋吊桿承載力滿足要求；主橋穩定性滿足要求。

[1]中華人民共和國檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB/T 25835-2010纜索用環氧涂層鋼絲[S].北京：中國標準出版社,2010．

[2]中華人民共和國交通運輸部.JTG D60-2015,公路橋涵設計通用規范[S].北京：人民交通出版社,2015．

[3]陳寶春.鋼管混凝土拱橋的設計與施工[M].北京：人民交通出版社,2000．

[4]中華人民共和國住房和城鄉建設部.CJJ 11-2011,城市橋梁設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社,2011．

[5]中華人民共和國交通運輸部.JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].北京：人民交通出版社,2004．

[6]中華人民共和國交通運輸部.JTG D64-2015 公路鋼結構橋梁設計規范[S].北京：人民交通出版社,2015．