鋼管混凝土拱橋吊桿張拉順序對結構受力的影響

李 青

(湖州市公路與運輸管理中心,浙江 湖州 313000)

0 引 言

城市跨河橋梁較多采用鋼管混凝土拱橋,因其通行和跨越能力大、外型優美、造價低廉、工期較短,深受橋梁設計者青睞[1]。鋼管混凝土拱橋是一種主要由梁、拱、吊桿、橋面板組成的組合體系橋[2]。鋼管混凝土拱肋是在鋼管內灌注混凝土形成的一種鋼混組合結構,這種獨特的組合方式能充分利用鋼材與混凝土兩種材料的力學性能,極大地改善結構的抗壓強度和抗變形能力[3]。吊桿是將鋼管混凝土拱橋主梁恒載及橋面活載傳遞給拱肋的重要受力構件,其張拉質量將直接影響鋼管混凝土拱橋的使用安全及服役年限[4]。為保證結構成橋線形和內力滿足設計要求,吊桿施工過程中除需嚴格控制臨時支架拆除時機和吊桿張拉力外,還需進行不同吊桿張拉順序下的結構響應分析,根據計算結果選擇較為經濟合理的吊桿張拉順序,確保大橋施工安全[5]。

1 橋梁概況

新建輕紡城大橋跨現狀蕭紹運河,橋寬41 m。主橋采用下承式鋼管混凝土系桿拱結構,計算跨徑為140 m,拱軸線形為二次拋物線,矢跨比為1/5。拱肋斷面形式為四肢全桁式,橫向在機非隔離帶位置設置兩片拱肋。拱肋高度為3.5 m,寬2.5 m,上下弦桿采用直徑100 cm厚度24 mm的直縫焊接管,腹桿和普通上下平聯采用直徑36 cm厚度14 mm的鋼管,吊桿下平聯采用直徑70 cm厚度18 mm的鋼管。拱肋斷面由上下弦桿通過腹桿和平聯連接組成,鋼材采用Q345C鋼。縱向四根鋼管內灌注C50混凝土,其余均為空鋼管。拱肋間設置三道桁架式風撐,風撐弦桿采用直徑40 cm厚度16 mm的鋼管,腹桿和平聯采用直徑20 cm厚度10 mm的鋼管。系梁為預應力混凝土結構,截面尺寸為高2.8 m,寬2.1 m。預應力鋼束采用標準強度為1 860 MPa的高強度低松馳鋼絞線。全橋共設28道橫梁,其中有兩道預應力混凝土端橫梁,26道預應力混凝土中橫梁。端橫梁采用單箱雙室截面,高度從兩側2.39 m向中間漸變為2.8 m;中橫梁為T形截面,高度從兩側0.85 m向中間漸變為1.9 m。系梁和橫梁形成整體格構梁。吊桿縱橋向間距為5 m,橫橋向中心距為26 m。吊桿采用151根抗拉強度為1 670 MPa、直徑為7 mm規格的高強度鍍鋅鋼絲。吊桿與拱肋采用下平聯加勁連接,吊桿與系梁采用預埋耳板連接。吊桿采用梁端錨固、拱端張拉方式。橋面板采用厚度為30 cm的C55補償收縮混凝土通過吊模現澆,與系梁、中橫梁和端橫梁形成整體。

主要施工工序如下:(1)下部結構施工;(2)搭設系梁、橫梁臨時支架,立模,澆筑系梁、橫梁混凝土;(3)張拉系梁、橫梁預應力;(4)搭設拱肋臨時支架,安裝拱肋和風撐,灌注鋼管拱肋混凝土;(5)拆除拱肋臨時支架;(6)吊桿第一次張拉;(7)拆除系梁和橫梁臨時支架;(8)澆筑橋面板;(9)吊桿二次張拉;(10)橋面系及附屬結構施工;(11)吊桿三次張拉。

2 建立有限元模型

輕紡城大橋進行有限元模擬分析時,拱肋、系梁、橫梁采用梁單元模擬,橋面板采用板單元模擬,吊桿索采用僅受拉桁架單位模擬。目前鋼管混凝土拱肋組合結構模擬方法主要有三種:換算單元模型、雙單元模型、整體式模型[6]。其中換算單元模型是指依據剛度等效原則將拱肋混凝土和鋼管簡化為一種材料,通常直接用混凝土梁單元模擬,該單元的總剛度為鋼管和混凝土剛度之和;雙單元模型是指分別考慮鋼管和混凝土兩種材料,拱肋分別建立混凝土梁單元和鋼管梁單元,即相同節點間建立兩個截面與材料特性完全不同的單元;整體式模型是考慮鋼管和混凝土間的套箍效應,等效鋼管混凝土組合構件為一種材料,通過生成鋼混組合截面建立整體拱肋模型[7]。綜合考慮,輕紡城大橋拱肋選取整體式模型。

鋼管混凝土拱肋采用施工階段聯合截面法模擬,程序自帶的截面生成器和施工階段聯合截面功能相互配合,完美解決了鋼結構和填充混凝土聯合截面共同受力問題,并且可以定義混凝土的受力階段,即在管內混凝土強度達到要求以前只模擬空鋼管拱肋,管內混凝土強度達到要求以后采用施工階段聯合截面的功能來模擬鋼管混凝土拱肋[8]。全橋一個固定支座,一個縱向活動支座,一個橫向活動支座,一個雙向活動支座,系梁邊界條件參照簡支梁約束采用一般支承模擬;臨時支架采用豎向僅受壓節點彈性支承模擬;拱和梁固結、吊桿與拱肋和系梁的連接、橋面板與系梁和橫梁的連接均采用彈性連接里的剛性連接模擬。依據經評審的專項施工方案提供的施工步驟圖進行施工階段劃分,精細模擬整個施工過程,得出結構在施工階段和運營階段的應力、索力和位移數據。施工階段主要考慮結構自重、預應力、吊桿索力、二期橫載;運營階段主要考慮汽車靜活載、混凝土收縮徐變。將全橋離散為2 367個梁單元、52個桁架單位、1 080個板單元、共2 137個節點,有限元計算模型見圖1。

圖1 主橋midas Civil有限元計算模型

各材料參數均按設計取值,計算參數如下:

(1)拱肋壓漿混凝土、橫梁采用C50混凝土:重力密度γ=26 kN/m3,彈性模量為Ec=3.25×104MPa。

(2)拱腳、系梁采用C55混凝土:重力密度γ=26 kN/m3,彈性模量為Ec=3.55×104MPa。

(3)瀝青混凝土鋪裝層:重力密度γ=24.0 kN/m3。

(4)鋼管拱肋采用Q345C鋼材:重力密度γ=78.5 kN/m3,彈性模量為Ec=2.06×105MPa。

(5)預應力筋采用1860鋼絞線:重力密度γ=78.5 kN/m3,彈性模量為Ec=1.95×105MPa。

(6)吊桿采用1 670成品鋼絲索:重力密度γ=78.5 kN/m3,彈性模量為Ec=2.05×105MPa。

吊桿一次張拉力、二次張拉力、三次張拉力的值見表1。

表1 吊桿索張拉力值 單位:kN

3 吊桿索不同張拉順序下的分析結果

假設吊桿分三種張拉順序進行模擬計算,得到三組不同工況下拱肋、系梁變形、內力及成橋索力,對比分析結構受力隨吊桿張拉順序改變的變化規律。

(1)由跨中向兩端張拉:13#吊桿—12#吊桿—11#吊桿—10#吊桿—9#吊桿—8#吊桿—7#吊桿—6#吊桿—5#吊桿—4#吊桿—3#吊桿—2#吊桿—1#吊桿。

(2)由兩端向跨中張拉:1#吊桿—2#吊桿—3#吊桿—4#吊桿—5#吊桿—6#吊桿—7#吊桿—8#吊桿—9#吊桿—10#吊桿—11#吊桿—12#吊桿—13#吊桿。

(3)由兩端和跨中向1/4跨張拉:1#、13#吊桿—2#、12#吊桿—3#、11#吊桿—4#、10#吊桿—5#、9#吊桿—6#、8#吊桿—7#吊桿。

3.1 吊桿索不同張拉順序對結構變形的影響

3.1.1 吊桿索不同張拉順序對拱肋變形的影響

吊桿索不同張拉順序下拱肋變形計算結果對比見圖2。

圖2 吊桿索不同張拉順序下拱肋變形值對比

由圖2可知:當吊桿由跨中向兩端張拉時,拱頂位置最大下撓值為19 mm;當吊桿由兩端向跨中張拉時,拱頂位置最大下撓值為29 mm;當吊桿由兩端和跨中向1/4跨張拉時,拱頂位置最大下撓值為20 mm。計算結果表明:吊桿由跨中向兩端張拉工況下的拱肋變形和吊桿由兩端和跨中向1/4跨張拉工況下的拱肋變形較為接近,吊桿由兩端向跨中張拉下的拱肋變形最大,且顯著大于前兩種吊桿張拉方案。

3.1.2 吊桿索不同張拉順序對系梁變形的影響

吊桿索不同張拉順序下系梁變形計算結果對比見圖3。

圖3 吊桿索不同張拉順序下系梁變形值對比

由圖3可知:當吊桿由跨中向兩端張拉時,系梁跨中位置最大下撓值為98 mm;當吊桿由兩端向跨中張拉時,系梁跨中位置最大下撓值為113 mm;當吊桿由兩端和跨中向1/4跨張拉時,系梁跨中位置最大下撓值為99 mm。計算結果表明:吊桿由跨中向兩端張拉工況下的系梁變形和吊桿由兩端和跨中向1/4跨張拉工況下的系梁變形較為接近,吊桿由兩端向跨中張拉工況下的系梁變形最大,且顯著大于前兩種吊桿張拉方案。

3.2 吊桿索不同張拉順序對結構內力的影響

3.2.1 吊桿索不同張拉順序對拱肋內力的影響

吊桿索不同張拉順序下拱肋拱頂位置最大和最小軸力計算結果見表2。

表2 吊桿索不同張拉順序下拱肋內力值對比 單位:kN

由表2可知:吊桿由跨中向兩端張拉相較于另外兩種吊桿張拉方案拱肋的軸力最小。

3.2.2 吊桿索不同張拉順序對系梁內力的影響

吊桿索不同張拉順序下系梁端部位置最大和最小彎矩計算結果見表3。

表3 吊桿索不同張拉順序下系梁內力值對比 單位:kN·m

由表3可知:吊桿由跨中向兩端張拉相較于另外兩種吊桿張拉方案系梁的彎矩最小。

3.3 吊桿索不同張拉順序對成橋索力的影響

吊桿索不同張拉順序下成橋索力(橋面系施工完成狀態下的索力)計算結果見表4,由于結構受力對稱性,僅列出1/4吊桿成橋索力數據。

表4 吊桿索不同張拉順序下成橋索力對比 單位:kN

由表4可知,吊桿由跨中向兩端張拉工況下的成橋索力相比于另外兩種吊桿張拉順序最接近設計成橋索力。

4 結 論

采用支架法施工的鋼管混凝土拱橋,可依據拱肋和主梁的內力、變形情況綜合選取吊索張拉順序。以新建輕紡城大橋主橋為工程背景,從吊桿張拉順序對拱肋和系梁變形、拱肋和系梁內力、吊桿成橋索力的影響進行對比分析,得出以下結論。

(1)從結構受力角度分析,吊桿由兩端向跨中張拉工況下的拱肋、系梁變形最大;吊桿由跨中向兩端張拉工況下的拱肋、系梁內力最小;吊桿由跨中向兩端張拉下的成橋索力最接近設計值。

(2)從施工成本角度考慮,吊桿由跨中向兩端張拉僅需4套張拉設備和4個班組同時進行張拉作業,而吊桿由兩端和跨中向1/4跨張拉則人員和設備需加倍投入。

(3)綜上所述,從結構受力和施工成本角度綜合對比分析,吊桿由跨中向兩端張拉是最為經濟合理的張拉順序。