鋼管混凝土桁梁橋連續體系受力分析

孫才志, 牟廷敏, 古 銳

(四川交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院，四川成都 610041)

鋼管混凝土桁梁橋的主梁由鋼管混凝土下弦管、上弦管、腹管、鋼-混凝土組合橋面板及橫撐構件共同組成，該類橋型主要受力構件均為鋼管混凝土構件。由于鋼管對混凝土的套箍效應，管內混凝土抗壓強度和壓縮變形能力得以提高，同時也增加了鋼管的幾何穩定性和承載能力，從而充分發揮了鋼管和混凝土兩種材料的優點，使用鋼量和混凝土用量較同跨徑鋼橋和混凝土橋有明顯優勢，主梁自重輕也使鋼管混凝土桁梁橋抗震性能卓越，近年來在我國西南山區高速公路逐漸推廣使用[1-3]。

鋼管混凝土下弦管和上弦管(橋面板)之間幾何獨立，通過鋼管混凝土腹管相連后形成主梁，上、下弦管在各跨間墩頂處存在多種組合約束方式，由此形成的主梁連續體系如何影響靜力作用下橋面板、弦管、腹管等構件的力學行為有待研究。每聯橋動力特性及屈曲特征如何隨之變化同樣值得關注，對此分析結果可直接為橋梁設計思路提供依據，目前國內外的已有研究僅針對主梁在完全簡支或完全連續狀態的受力行為[4]，或鋼管混凝土受彎構件的承載力研究[5]，對主桁梁連續體系的研究尚無先例。本文以汶馬高速公路汶川克枯大橋為背景，針對跨間上下弦管均各向約束的強連續體系、上弦管(橋面板)各向約束的中連續體系和上弦管(橋面板)縱向平動約束的弱連續體系，進行了主梁連續體系對鋼管混凝土桁梁橋主梁力學行為和動力特性影響的計算分析。

1 工程概況

汶馬高速公路汶川克枯大橋是目前世界上建設規模最大的鋼管混凝土桁梁橋工程，包括克枯橋梁工程和下莊橋梁工程。橋梁工程全長約4.3 km，采用標準30 m和40 m兩種跨徑，桁主梁梁高分別為3.5 m和4.2 m，采用平面桁架型式，上、下弦管及腹管均為鋼管混凝土，主梁頂面采用鋼混凝土組合橋面板，下部結構為鋼管混凝土橋墩和混凝土樁基礎，橋梁標準橫斷面型式如圖1所示。

圖1 鋼管混凝土桁梁橋標準橫斷面(單位：mm)

在擬分析的主梁連續體系中，強連續體系與常規連續梁跨間約束一致，為主梁全斷面連續(圖2)；中連續體系為下弦管斷開，上弦管(橋面板)連續(圖3)；弱連續體系為下弦管斷開，上弦管(橋面板)縱向平動約束，該種連續體系主要考慮解決橋面板混凝土避免負彎矩作用，同時保持結構縱向連續性，因此在構造上為橋面板混凝土斷開，橋面板鋼底板和上弦管不斷開(圖4)。

圖2 強連續體系

圖3 中連續體系

圖4 弱連續體系

2 空間有限元模型

汶川克枯大橋鋼管混凝土桁梁橋共計32聯、219跨，采用30 m和40 m兩種跨徑組合而成，最短聯長度為150 m，最長聯長度290 m。考慮到聯長越長，結構靜力受力和動力特性越復雜，主梁連續體系研究越具有代表性，本文選擇了克枯橋梁工程左線第6聯作為分析對象，跨徑組合為3×30 m+5×40 m，建立了空間有限元模型如圖5所示。

圖5 有限元模型

模型共計梁單元1 420個，建立了鋼管混凝土上弦管、下弦管、腹管、鋼-混凝土組合橋面板、鋼管橫撐、鋼管混凝土橋墩和樁基礎單元，模型考慮了樁-土效應，采用土彈簧模擬下部結構支承，墩頂支座均采用變剛度抗震支座，水平剛度介于800～3 300 kN/m之間，模型中通過彈性連接模擬。

3 計算結果及力學行為分析

根據JTG D60-2015《公路橋涵設計通用規范》，計入結構自重、下弦管預應力、混凝土收縮徐變、溫度荷載、車道荷載作用后，鋼管混凝土構件可能出現受壓和受拉狀態，部分桿件甚至存在受拉和受壓交變狀態。當其受拉時，按空鋼管受力進行應力分析；當其受壓時，計入管內混凝土貢獻，根據組合材料進行承載力驗算對比，承載能力公式如式1所示：

N≤φlφeKpKtfscAsc/γ

(1)

式中：φl為長細比折減系數；φe為偏心矩折減系數；Kp為初應力折減系數；Kt為混凝土脫空系數；fsc為鋼管混凝土組合抗壓強度；Asc為鋼管混凝土組合受壓面積；γ為結構重要性系數。

3.1 下弦管

三種連續體系對應的下弦管受力結果見表1、表2。

表1 下弦管最不利受壓構件承載能力對比

表2 下弦管最不利受拉構件應力值對比 MPa

在中連續體系和弱連續體系下，下弦管在墩頂斷開時，其軸力在此處歸零，連續梁中支點附近負彎矩效應消失，表現為墩頂附近受壓下弦管內力較??；強連續體系下弦管在墩頂連續時，墩頂附近受壓下弦管內力則顯著增加。相反地，跨中附近受拉下弦管應力則隨下弦管墩頂連續而降低，隨著下弦管墩頂斷開趨向于簡支結構下緣受力狀態，致使最大名義拉應力和疲勞應力幅增加。

由于中連續體系下主梁上緣仍處于連續狀態，其受拉下弦管應力(幅)小于弱連續體系時，其受壓下弦管內力明顯小于強連續體系時。

3.2 腹管

對于受拉腹管，墩頂附近的φ402×18腹管受主梁連續體系影響最大，在強連續體系下名義應力最小，在弱連續體系下名義應力最大。強、中、弱連續體系下名義應力比為1∶1.04∶1.06，跨中附近的φ402×12(14)腹管名義應力則幾乎不變，表明受主梁連續體系的影響最小，φ420×16腹管所受影響則介于兩者之間(圖6)。

圖6 受拉腹管名義應力對比

值得注意的是，不受腹管位置影響，強連續體系下的腹管疲勞應力幅始終大于中連續體系和弱連續體系，而后兩者則較為接近(圖7)。

圖7 受拉腹管疲勞應力幅對比

對于受壓腹管，三種連續體系對應的承載能力安全度如圖8所示，總體上隨著腹管越靠近跨中，承載能力安全度越高。對于墩頂附近的φ402×18腹管，強連續體系安全度最高，中連續體系次之，弱連續體系最低，對于其余腹管則逐漸呈現強連續體系安全度最低，弱連續體系最高。

圖8 受壓腹管承載能力對比

3.3 橋面板

對于鋼混凝土組合橋面板，上緣由混凝土承受荷載，下緣由底鋼板承受荷載，在三種連續體系下，墩頂和跨中附近的橋面板上、下緣的應力如表3所示。弱連續體系可以明顯消除負彎矩區混凝土拉應力，強連續體系對應位置的混凝土拉應力為5.1 MPa，中連續體系由于只有上弦管(橋面板)連續，且橋面板需承受彎矩作用，混凝土拉應力達到8.2 MPa，為三種體系下最大值，但仍可通過超筋和使用鋼纖維混凝土、切縫等措施保證混凝土使用性能滿足要求。

表3 橋面板應力值對比 MPa

3.4 動力特性及屈曲分析

鋼管混凝土桁梁橋一階振型和一階屈曲模態見圖9、圖10。

圖9 鋼管混凝土桁梁橋一階振型

圖10 鋼管混凝土桁梁橋一階屈曲模態

在三種連續體系下，鋼管混凝土桁梁橋前十階振型特征以及前十階屈曲模態均一致，強連續體系一階自振頻率略大于中連續體系和弱連續體系，分別為0.43 Hz、0.42 Hz、0.4 Hz(表4)；弱連續體系下橋梁穩定安全系數明顯小于中連續體系和強連續體系對應值(表5)。

表4 橋梁自振特性對比 Hz

表5 橋梁穩定安全系數對比

4 結論

本文以汶馬高速公路汶川克枯大橋的鋼管混凝土桁梁橋工程為背景，考慮強連續體系(上、下弦均連續)、中連續體系(僅上弦管及橋面板連續)、弱連續體系(僅上弦管及橋面板鋼底板連續)三種主梁連續體系，建立空間有限元分析模型，對比分析了下弦管、腹管、橋面板等構件力學行為以及橋梁動力特性在不同主梁連續體系下的差異，得出以下結論：

(1)中連續體系和弱連續體系下，受壓下弦管內力較小，受拉下弦管名義應力和疲勞應力幅相對較大；強連續體系下，受壓下弦管內力急劇增大，受拉下弦管名義應力和疲勞應力幅則相對較小。

(2)墩頂附近腹管受連續體系影響最大，受拉腹管在強、中、弱連續體系下名義應力比為1∶1.04∶1.06，受壓腹管承載能力安全度在強連續體系下最高，弱連續體系下最低。

(3)中連續體系由于只有上弦管(橋面板)連續，且橋面板需承受彎矩作用，使混凝土拉應力達到8.2 MPa，為三種體系下最大值，但仍可通過超筋、使用鋼纖維混凝土、切縫等措施保證混凝土使用性能滿足要求。

(4)強連續體系下橋梁一階自振頻率略大于中連續體系和弱連續體系，分別為0.43 Hz、0.42 Hz、0.4 Hz；弱連續體系穩定安全系數明顯弱于中連續體系和強連續體系對應值。

(5)總體上，中連續體系下主梁下弦管和腹管受力最均衡，一階自振頻率和穩定安全系數與強連續體系接近，考慮到可通過構造措施和材料解決負彎矩區混凝土使用性能的問題，最終選擇中連續體系成為鋼管混凝土桁梁橋墩頂約束方式最為合理。