郭继业,杜建成,高康平
(珠海市规划设计研究院,广东 珠 海 5 19000)
南屏大桥双层钢桁拱桥设计探讨
郭继业,杜建成,高康平
(珠海市规划设计研究院,广东 珠 海 5 19000)
结合南屏大桥设计,对双层钢桁拱桥桁架型式选择、边中榀尺寸拟定与内力调整、吊杆抗风进行了探讨。
双层桥面;钢桁拱桥;桁架型式;内力调整;吊杆抗风
金琴高速公路南屏大桥位于珠海市主城区西部,连接前山和南屏,跨越前山河,上层桥面为高速公路,下层桥面为市政道路,主桥为48 m+120 m+ 48 m双层钢桁拱桥(见图1和图2),设计要点如下:
图1 南屏大桥主桥立面图(单位:cm)
图2 南屏大桥主桥横断面图(单位:cm)
(1)设计荷载。上层桥面为公路-Ⅰ级,下层桥面为城-A级,人群3.5 kN/m2。
(2)上部结构。钢箱拱跨度120 m,矢高34 m,矢跨比1/3.529,拱轴线采用二次抛物线;拱肋和弦杆为箱形截面;腹杆大部分采用H形截面,少部分受拉较大的腹杆采用王字形截面,个别受压较大的腹杆采用箱形截面;吊杆采用H形截面;桥面系由箱形钢横梁、工字形钢纵梁和钢-混凝土组合PBL板组成;平联采用V形布置;在过渡墩顶、主墩顶的横梁与竖杆间设置简易桥门架;全桥共设置5道一字形风撑将边、中榀连为整体;所有杆件内表面对齐;除部分拱肋杆件采用熔透焊接外,其余杆件均采用高强螺栓连接。
(3)下部结构。主墩为三柱实心墩,过渡墩为三柱双层框架结构,基础采用承台配钻孔灌注桩。
(4)施工流程。前山河目前暂不通航,本桥采用先梁后拱的施工方案,即在满堂支架上安装边跨主梁,搭设临时墩悬臂拼装中跨主梁,然后在主梁上搭设支架施工拱肋和吊杆。
桥梁上常用的桁架型式有Warren桁架(三角形桁架)(见图3和图4)和Pratt桁架(斜杆形桁架)(见图5和图6),设计时对这两种桁架型式进行了对比分析,从图3~图6可以看出:
图3 Warren桁架恒载+活载作用下1/2中榀最大轴力图(单位:kN)
图4 Warren桁架恒载+活载作用下1/2中榀最小轴力图(单位:kN)
图5 Pratt桁架恒载+活载作用下1/2中榀最大轴力图(单位:kN)
图6 Pratt桁架恒载+活载作用下1/2中榀最小轴力图(单位:kN)
(1)两者拱肋、弦杆和吊杆轴力(负值为压力,正值为拉力,其他各图均如此表示)差别不大。
(2)Warren桁架竖杆轴力普遍小于Pratt桁架。
(3)两者斜杆轴力大小基本接近,Warren桁架斜杆部分为拉杆,部分为压杆,Pratt桁架斜杆压杆居多,且部分压杆(如E3A2、E5A6)轴力较大,压杆稳定控制设计,需采用箱形截面,增加了拼接难度。
大多数现代桥梁都采用某种型式的Warren桁架[1],通过以上对比,本桥亦采用Warren桁架。
本桥横桥向设三榀桁架,中榀受力比边榀大,设计时考虑了两种方案。方案一:边、中榀杆件采用相同的内轮廓尺寸,加大中榀杆件板厚。方案二:边、中榀杆件采用相同的内轮廓尺寸和板厚,拼装杆件前将中榀垫高3 cm,全桥合拢后施工二期恒载之前抽掉垫块,调整边、中榀内力。
从图7~图14可以看出:方案一边、中榀拱肋和弦杆应力比较接近(负值为压应力,正值为拉应力,其他各图均如此表示。受横向弯矩的影响,边、中榀斜杆、竖杆和吊杆应力相差较大),杆件应力均小于钢材强度设计值;方案二抽掉垫块后,部分荷载由中榀转移到边榀,中榀绝大部分杆件轴力明显减小,边榀绝大部分杆件轴力明显增大。考虑到方案二需采用大吨位千斤顶顶升主梁,下弦杆顶点处受力较大,构造复杂,顶升施工难度较大,且横梁次内力较大,最终采用了方案一。
图7 方案一恒载+活载作用下1/2边榀最大应力图(单位:MPa)
图8 方案一恒载+活载作用下1/2边榀最小应力图(单位:MPa)
图9 方案一恒载+活载作用下1/2中榀最大应力图(单位:MPa)
图10 方案一恒载+活载作用下1/2中榀最小应力图(单位:MPa)
图11 方案二抽掉垫块前恒载作用下1/2边榀轴力图(单位:kN)
图12 方案二抽掉垫块后恒载作用下1/2边榀轴力图(单位:kN)
图14 方案二抽掉垫块后恒载作用下1/2中榀轴力图(单位:kN)
钢桁拱桥吊杆的涡激振动,是吊杆的常见病害,必须根治,过去主要是在事后进行控制或加固,随着对其振动机理的深入研究,现在可以从技术层面解决吊杆的涡激振动问题,即在施工图设计阶段进行吊杆的截面和开孔率设计。
本桥采用H形钢吊杆,最初截面尺寸为同一种规格,即翼缘板为800 mm×24 mm,腹板为1 300 mm× 18 mm,吊杆G7A7(如图3所示,另一根吊杆与G7A7关于跨中对称线对称)沿顺桥向有发生涡激共振的可能[2]。根据涡激振动的机理,抑制吊杆涡激振动有两种途径,即腹板开孔和改变断面形状。风洞试验研究表明,H形吊杆的腹板开孔能在一定程度上改善其涡激振动特性[3],但鉴于已建成的类似桥梁虽已在吊杆腹板开孔,但仍然发生了严重的风致振动[4],本桥采用“吊杆腹板不开孔,对其截面尺寸进行适当优化”的设计方案。
当H形钢桁拱桥吊杆满足λl=(6 091~10 151)且桥址处的风环境满足3×102≤Re≤3.5× 106时,吊杆有发生涡激共振的可能[5]。经过多工况比选,将这两根吊杆翼缘板宽度从800 mm改为700 mm,厚度24 mm保持不变,腹板高度1 300 mm保持不变,厚度从18 mm改为20 mm,调整后其雷诺数Re和特征振动因子λl见表1。从表1可以看出,调整吊杆截面尺寸后,可以避免其发生涡激共振。
表1 吊杆的雷诺数Re和特征振动因子λl
(1)Warren桁架和Pratt桁架两者拱肋、弦杆和吊杆轴力差别不大;Warren桁架竖杆轴力普遍小于Pratt桁架;两者斜杆轴力大小基本接近,Warren桁架斜杆部分为拉杆部分为压杆,Pratt桁架斜杆压杆居多,且部分压杆轴力较大,压杆稳定控制设计,需采用箱形截面,拼接难度较大。大多数现代桥梁都采用某种型式的Warren桁架,本桥亦采用Warren桁架。
(2)本桥横桥向设三榀桁架,中榀受力比边榀大,预先垫高中榀,合拢后抽掉垫块,内力重新分配,中榀杆件内力明显减小,但横梁次内力和施工难度较大。设计最终采用边、中榀杆件内轮廓尺寸相同、加大中榀杆件板厚的方案,施工难度较小,边、中榀拱肋和弦杆应力基本接近。
(3)通过调整吊杆截面尺寸,改变其雷诺数Re和特征振动因子λl,可以避免发生涡激共振。
[1]同济大学钢与轻型结构研究室,钢桥与组合结构桥梁研究室,译.美国钢结构设计手册(下册):钢桥部分[M].上海:同济大学出版社,2007.
[2]李龙安,苗润池.珠海南屏大桥主桥吊杆风致振动分析报告[R].武汉:中铁大桥勘测设计院集团有限公司,2014.
[3]马存明,廖海黎,郑史雄,李佳圣.H型截面吊杆气动性能的风洞试验[J].中国铁道科学,2005,26(4):42-46.
[4]李龙安.钢桁拱桥吊杆风致振动影响因素分析 [J].桥梁建设,2008,38(3):19-22.
[5]高宗余,李龙安,方秦汉,卫军.钢桁拱桥吊杆风致振动研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2007,31(2):281-284.
U448.22
B
1009-7716(2017)01-0065-03
10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.01.018
2016-10-17
郭继业(1979-),男,湖北天门人,高级工程师,从事桥梁工程设计工作。