浅析应用空间梁格理论验算广利河大桥空间结构

浅析应用空间梁格理论验算广利河大桥空间结构

文/刘洪昌 山东新汇建设集团有限公司 东营 257091

该文利用空间梁格理论，进行内力、应力、主梁极限承载力计算，验算结构在施工阶段、运营阶段应力、主梁极限承载力及整体刚度是否符合规范要求。

空间梁格；广利河；桥梁结构

1 工程概况

广利河大桥主桥是跨径80m的斜靠式系杆拱桥，拱计算跨径76.4m，矢高19.1m，矢跨比1：4，采用《桥梁博士》应用空间梁格理论建模以空间杆系分析计算。

2 计算方法

总体静力计算采用空间梁格理论，在空间上建立主拱模型，并根据施工图，向内倾斜10度。系梁、横梁均按梁单元在相应位置建模，并添加预应力。用拉索单元模拟吊杆，张拉端在下部。

总体计算根据桥梁施工流程划分结构计算阶段，根据荷载组合要求的内容进行内力、应力、主梁极限承载力计算，验算结构在施工阶段、运营阶段应力、主梁极限承载力及整体刚度是否符合规范要求。

3 计算模拟施工的过程

本桥先架设桥面系，包括系梁、横梁，再架设桥面板；然后分段安装拱肋，安装风撑和吊杆；分批次张拉吊杆，再一次落架。结构模拟时划分12个施工阶段，其中，4～11阶段为吊杆索力调整阶段，按施工图所示顺序，逐个成对张拉吊杆。结构离散图如下：

结构离散图

4 主桥计算结果

4.1 支座反力汇总

支座反力汇总

4.2 施工阶段结构正应力验算

图1为拱肋在各个施工阶段累计的截面上下缘正应力。图中可见，在各施工阶段，拱肋的最大正应力为11.9MPa，最小正应力为-0.9MPa，满足规范要求。

图1 各施工阶段拱肋正应力（MPa）施工阶段

图2为系梁在第一次、第二次张拉预张应拉第一批力预应力后和成桥状态时的各施工阶段累计的截面上下缘正应力。图中可见，在各施工阶段，拱肋的最大正应力为13.3MPa，最小正应力为5.3MPa，施工阶满段足规范要求。

图2 施工阶段系梁正应力（MPa）

图3为横梁在第一次、第二次张拉预应力后和成桥状态时的各施工阶段累计的截面上下缘正应力。图中可见，在各施工阶段，横梁的最大正应力为18.6MPa，最小正应力为-2.0MPa。其它横梁的施工阶段应力均在此之间，满足规范要求。

图3 施工阶段各横梁正应力（MPa）

4.3 正常使用阶段正应力计算

参见图4，图中反映了拱肋、系梁、端横梁和内横梁短期效应组合（组合二）的截面上下缘最小正应力和持久状况标准值组合（组合三）的最大正应力。拱肋最小正应力为：3.96Mpa、最大正应力为10.68Mpa；系梁最小正应力为：1.30Mpa、最大正应力为12.01Mpa； 端横梁最小正应力为：0.58Mpa、最大正应力为7.28Mpa；边内横梁最小正应力为：2.52Mpa、最大正应力为13.52Mpa；中内横梁最小正应力为：2.17Mpa、最大正应力为16.09Mpa。主桥各构件正应力均可满足规范对全预应力混凝土构件的要求。

图4 正常使用组合正应力（MPa）

4.4 使用阶段主应力计算

“我又没有过女朋友，第一次就见这么恐龙级的，我也得有这心理承受能力呀。何东，没登记吧还瞒着，还真给瞒过去了，我只能哑巴吃黄连硬着头皮去见了。”

参见图5，图中反映了拱肋、系梁、端横梁和内横梁在短期效应组合（组合二）的截面上、下缘最小主拉应力和持久状况标准值组合（组合三）的截面上、下缘最大主压应力。拱肋最小主应力为：－0.02Mpa、最大主应力为9.97 Mpa；系梁最小主应力为：－0.27Mpa、最大主应力为12.39Mpa（拱脚部分加厚不计）；端横梁最小主应力为：－0.31Mpa、最大主应力为7.00Mpa；边内横梁最小主应力为：-0.08Mpa、最大主应力为12.44Mpa；中内横梁最小主应力为：－0.08Mpa、最大主应力为15.13Mpa。各构件主应力均满足规范要求。

图5 正常使用组合主应力（MPa）

4.5 极限承载力正截面强度计算

参见图6。图中黑色表示结构抵抗能力大小，红色、蓝色分别表示结构在承载内力基本组合所承受最大、最小内力。图中可以看出，系梁、拱肋、各横梁在最不利荷载组合时的最大、最小弯矩（偏心轴力）都小于其极限承载力。（端横梁中间支座处内力较大，输入普通钢筋后也可满足要求）。

图6 腹板极限承载能力（KN•m）

4.6 极限承载力斜截面抗剪强度计算

经验算，系梁、横梁均能满足斜截面抗剪强度的要求。参见抗剪计算附件。

5 结论

通过以上计算可知，主桥各构件满足规范对全预应力混凝土结构的要求。

［1］孙远,徐栋.基于空间梁格模型的异形斜拉桥体系转换施工模拟［J］.中国公路学报. 2010（01）

［2］卢彭真,赵人达.梁格分析理论的装配式简支梁桥整体结构分析［J］.武汉理工大学学报. 2010（02）

-16595 -11829序号 项目 直桩斜桩允许偏差（mm） 17526 1 7435端横梁极限强度检验数量单元测点检验方法5392 1 设计标高处桩顶平面位置 150 200 逐件检查 1 用经纬仪和钢尺量两方向，取大值13075 1＃内横梁极限强度2 桩身垂直度 1％ / 抽查10％且不少于10根 1 吊线测量或测斜仪测量12386

4 实施效果

本工程共计沉桩1378根，低应变检测600根，均为一类桩，经高应变检测，均符合设计承载力要求。具有桩身强度高等优点。

5技术创新

本工程采用了大直径管桩作为基桩，是北方纬度最高地区首次大规模使用，也是黄骅港地区的首次尝试，在此过程中，各方人员均做了最大的努力，保证了本工程的顺利实施及运行。

（1）在制桩过程中，桩顶掺加了一定比例的钢纤维，提高桩顶的耐打性，同时采用桩顶增加钢抱箍以及桩身添加聚丙烯纤维，以提高大管桩在复杂地区沉桩的适应性。实践证明，这三项技术措施是必要和及时的，并且完全消除了在沉桩初期发生的碎顶等现象。

（2）在沉桩过程中，采用GPS定位，使沉桩速度较传统定位提高了近一倍，保证了工程进度的顺利实施，并能够有效延长作业时间，大大减少了因规避大风天气而损失的时间。

（3）在制作、防腐施工及抗冻要求方面也具有一定优越性。

首先，大管桩采用离心、振动、辊压相结合的复合法工艺生产，分段成型混凝土管节，管节间涂刷粘接剂，操作简单易控制；钢管桩采用直缝或螺旋缝焊接而成，对操作人员和设备要求极高。

其次，大管桩采用涂料或其他有效措施来防止或减少锈蚀进行保护，涂料的选用根据保护时间、效果及费用等综合确定，工艺简单易行；钢管桩采用牺牲阳极阴极保护和涂层联合保护，涂装过程中的喷砂除锈、涂装、检验、补涂及养护要求较高，阳极块水下湿法焊接工艺复杂，保护系统运行后需要检测、维护管理。

再次，由于大管桩采用高速离心方法成型，混凝土密实性远远高于普通预应力混凝土方桩，经抗冻试验和氯离子渗透实验证明其抗冻性和耐腐蚀性能良好，完全可以在有抗冻要求的地区使用。

6 小结

本工程共计沉桩1378根，在制造和施工过程中经过静荷载试验、高应变检测、氯离子渗透试验、抗冻融试验等证明大管桩完全可满足设计要求。

在黄骅港海域地质较为复杂的情况下首次尝试得到成功，也标志的大直径管桩能够在黄骅港及天津港地区进行进行推广，但也存在一些问题需要改进：

1、由于北方没有相关的预制场，须从南方制作运输，运距长，极易受到天气影响，对施工进度带来较大影响，并有较大的安全隐患；

2、桩顶增加钢抱箍及掺加钢纤维还不能完全适应黄骅港地区的复杂地质情况，以后应在桩顶耐打处理方面多下功夫，防止因锤击数过高而使桩顶混凝土疲劳产生碎裂。

参考文献：

［1］JTS 167-1-2010高桩码头设计与施工规范［S］,2010.

［2］JTS167-4-2012港口工程桩基规范［S］,2012.