宽幅系杆拱桥中横梁的设计研究

傅科奇,陈 刚,刘德宝

(浙江省交通规划设计研究院,杭州 310006)

0 引 言

下承式系杆拱桥由于其结构外部静定,表现为无支座水平推力,对下部结构要求简单,且其跨越能力较大等优越特性,在桥下净空要求较高的平原地区,或地基不良等地区得到了广泛的应用。

该桥型结构主要有拱肋、系杆、吊杆组成拱架,通过横梁和风撑等横向联系把两片 (或三片)拱架连成整体,再在横梁上铺设行车道板及桥面铺装后构成桥面系结构。横梁直接承受桥面系恒载和车辆活载,并最终把所受荷载传至拱架。因此正确分析横梁的受力特点及截面内力是至关重要的,如果在设计过程中未能合理有效地分析横梁内力,将会导致横梁截面的开裂或材料的浪费。

1 横梁的受力机理

当桥面系恒载或活载作用于横梁上时,横梁将把这些荷载传至系杆结点上,横梁端结点处会产生弯矩M和竖向反力R。由于横梁是弹性支承在系杆和吊杆结点上,因而对于系杆结点来说即为扭矩M和集中力R[1],如图1、图2。

图1 系杆拱桥横梁结构图

图2 系杆拱桥横梁受力示意图

由于横梁两端弹性嵌固于系杆上,而系杆本身具有一定的抗扭刚度,故当横梁上作用荷载时,系杆便产生一定的扭转变形,从而使得横梁端点处的M值要小于横梁按两端完全嵌固图式求得的弯矩值;同时横梁跨中正弯矩值小于横梁按两端简支图式求得的正弯矩值[2]。

然而,实际工程中中横梁的分批安装、中横梁钢束的分批张拉、横桥向风荷载等因素作用,会首先引起系杆的局部或整体扭转 (产生扭矩M),则相关横梁端结点处会产生附加弯矩M[3-4],从而导致该中横梁端结点处有可能产生正弯矩值 (相反于横梁按两端完全嵌固图式求得的负弯矩),同时横梁跨中正弯矩值也可能大于横梁按两端简支图式求得的正弯矩值。

此外,通过分析发现,宽幅系杆拱桥靠近拱脚处中横梁由于受拱脚端横梁强大刚度的影响,预应力效应明显降低,如果按跨中中横梁统一设计,将直接导致成桥状态该处中横梁拉应力超标甚至截面开裂,造成安全隐患。

2 工程实例

某系杆拱桥计算跨径115.0 m,失高23.0 m,桥面宽25.0 m;拱肋哑铃型截面,面积 A1=2.54 m2,惯性矩 I1=1.64 m4,抗扭惯性矩 IT1=0.53 m4;系杆C50混凝土,A2=2.5 m2,惯性矩I2=2.01 m4,抗扭惯性矩IT2=1.22 m4;中横梁C50混凝土,A3=1.28 m2,惯性矩I3=0.52 m4,抗扭惯性矩IT3=0.1 m4,结构计算模型如图3[5]。

图3 某系杆拱桥计算模型

标准组合 (1.0恒载+1.0活载+1.0横桥向风载)作用下,各中横梁端部和跨中截面弯矩统计如下表1、表2。

表1 中横梁梁端弯矩对比表 单位：kN◦m

由上表得,组合作用下各中横梁梁端实际发生|MMIN|均小于按固端梁计算|MMIN|;组合作用下3#～11#中横梁均发生正弯矩,最大发生在跨中11#梁MMAX=1 335 kN◦m,不同于按两端完全嵌固图式只产生负弯矩的计算结果。

表2 中横梁跨中弯矩对比表 单位：kN◦m

由上表得,组合作用下5#～11#中横梁跨中实际发生MMAX均大于按简支梁计算MMAX。

横桥向风荷载作用下各中横梁端部弯矩统计如下表3。

表3 横桥向风荷载引起中横梁端部弯矩统计表 单位：kN◦m

由上表得,横桥向风荷载对拱脚附近中横梁影响较大,越靠近拱脚影响越大,1#中横梁发生最大弯矩781kN◦m。

预应力效应引起各中横梁跨中截面下缘最大压应力统计如下表4。

表4 中横梁跨中截面下缘最大压应力统计表 单位：MPa

由上表得,1#、2#中横梁跨中截面下缘最大压应力明显低于其它中横梁,分别低于各中横梁平均值24%和11%,可见受端横梁等因素影响,该处中横梁预应力效应损失较大,容易导致其截面开裂和承载能力的不足。

3 结 语

(1)系杆拱桥中横梁当属弹性嵌固梁,成桥状态组合作用下大部分中横梁梁端结点处可能发生正弯矩,相反于按两端完全嵌固图式计算只产生负弯矩的结果;同时跨中正弯矩值也会大于按两端简支图式求得的正弯矩值。中横梁设计如果简单的以平面简支和固结两种计算结果作为控制不能满足要求。

(2)横桥向风荷载作用会引起拱脚处系杆的扭转,进而对拱脚附近中横梁产生较大的附加弯矩,该处中横梁结构设计必须充分考虑横桥向风荷载的影响。

(3)拱脚端部1#、2#中横梁受端横梁强大刚度等因素的影响,预应力效应明显降低,容易导致成桥后压应力储备不足,引起截面开裂和承载能力的不足。

(4)宽幅系杆拱桥各中横梁因其受端横梁,安装先后顺序和预应力分批张拉等因素影响,成桥后各中横梁内力状态相差较大,靠近拱脚处中横梁与其余中横梁、先安装中横梁与后安装中横梁需要做到差别设计。

[1]虞建成,邵容光.系杆拱桥横梁内力分析[J].华东公路,1997,(4)：46-50.

[2]金成棣.预应力梁拱组合式桥梁—设计研究与实践[M].北京：人民交通出版社,2001：96-97.

[3]孙潮,陈宝春,张伟中,等.钢管混凝土系杆拱桥空间效应分析[J].福建工程学院学报,2004,2(1)：17-22.

[4]张元海,李乔.钢管混凝土系杆拱桥中系梁和横梁的设计计算方法研究[J].公路交通科技,2005,22(3)：66-69.