主跨290m上承式钢管混凝土拱桥设计与分析

赵安华

(创辉达设计股份有限公司,湖南 长沙 410000)

在桥梁建设中,拱桥因其造型美观、跨越能力强、耐久性好等特点一直是很有竞争力的桥型之一。钢管混凝土桥能够较大提升桥梁的跨越能力,充分利用了钢与混凝土材料的力学特性,充填混凝土的钢管稳定性大幅度提升,同时由于钢管的套箍效应混凝土强度也有所提高,且施工过程也及其方便[1-3]。上承式钢管混凝土拱桥具有适应桥址地形、地质条件强、施工方便等优点在山区拱桥建设广泛采用[4]。为研究此类桥梁结构的受力特点,验证桥梁结构的合理性与安全性,本文以一座主跨290 m的山区大跨度钢管混凝土拱桥为例。采用midas Civil对该桥的施工阶段与运营阶段进行模拟,分析拱、梁等结构的受力与变形特征,并分析混凝土收缩徐变对拱肋应力的影响,为此类桥梁的设计提供技术资料。

1 工程概况

迪麻洛河特大桥是贡山县阿鲁腊卡机场公路上的一座特大桥,设计车速:40 km/h。桥位处于“V”型河谷地貌,桥面至谷底高差约250 m,谷底宽约50 m,路线处谷口宽约450 m。桥跨布置:(3×20)m预应力混凝土T梁+290 m上承式钢管混凝土桁架拱+(4×20) m预应力混凝土T梁,全长453.8 m。主桥宽度: 2 m人行道+8.0 m车行道+2.0 m人行道=12 m;设计基准期100年,安全等级一级,设计使用年限100年;抗震设防烈度为Ⅷ度,水平地震动峰值加速度0.20 g,属A类抗震设防,抗震设防措施等级按四级。

2 主桥结构设计

主桥为290 m上承式钢管混凝土变截面桁架拱。计算矢高58 m,计算矢跨比1/5。拱轴线采用悬链线,拱轴系数m=1.543。主拱圈由两条钢管混凝土拱肋及横撑组成,采用等宽度变高度空间桁架结构。

钢管混凝土拱肋采用变高度的空间桁架结构,拱肋宽度2 m,拱顶截面高度4.0 m,拱脚截面高度8.0 m,拱脚至拱顶采用线性渐变截面,上弦拱肋和下弦拱肋采用等截面钢管,但不同拱肋部位采用不同管壁厚度,钢管拱肋管径φ1 200×26 mm～φ1 200×300 mm。两片钢管混凝土拱肋中心距离为8.0 m,拱肋肋间设置一字型横撑和米字型结构撑,拱肋上下弦的钢管内灌注C55自密实补偿收缩混凝土。上下弦一字型横撑采用φ600×1 6mm、φ700×16 mm圆形钢管,无斜撑。采用φ500×500×16 mm和I 500×400 mm型钢作为拱肋腹杆联结。两片拱肋间设12道“米”字横撑。横撑均为钢管桁架,上弦拱肋和下弦拱肋的直杆采用φ600×16 mm钢管,斜向杆件采用φ500×16 mm钢管,上、下弦间横撑直杆间设φ400×16 mm竖腹杆及交叉斜腹杆,横撑钢管均为空心钢管。

拱上立柱采用双柱式结构,立柱高度从48.675 m变化至5.454 m,截面采用排架式空心钢箱,截面尺寸根据立柱高分别采用φ1 300×1 200×16 mm、φ1100×1 200×16 mm两种。柱间采用“X”形横撑联接,横撑采用600×900 mm的工字钢。立柱盖梁采用空心矩形钢箱结构,盖梁长10.6 m,盖梁高1.4 m。

桥面系构造采用钢混组合梁结构,设置5道钢纵梁,横向间距2.35 m,梁高1.3 m。顺桥向每5.4 m设置一道钢横梁作为横向联系梁,梁高1.0 m。钢纵、横梁均采用工字型截面,进行焊接连接。桥面纵横梁上安装25 cm厚的普通钢筋混凝土预制板作为车行道板,桥面铺装采沥青混凝土层厚11 cm。

拱座位于两岸山坡坡面,坡面整体稳定,基岩裸露在外,采用整体式钢筋混凝土结构,扩大基础,均采用C40混凝土,置于稳定、完整的中风化基岩内。拱座高15.0 m,顺桥向长25 m,横桥向宽15.2 m。3、4号墩为主、引桥交界墩,同时做扣索锚梁,设置于拱座基础上。采用空心薄壁墩,墩顶截面尺寸6.0×1.9 m,壁厚50 cm,顺桥向按双向80∶1坡度向下变宽。

3 结构静力分析

本文采用空间杆系理论,借助midas Civil软件建立全桥施工和运营阶段的有限元仿真模型来进行全桥结构的静力分析。全桥共划2 708个单元,1 429个节点。钢混组合梁、钢管混凝土拱肋、横撑、腹杆、立柱、盖梁等构件均采用梁单元进行模拟。其中钢管混凝土拱肋采用双材料单元,借助midas联合截面功能实现,混凝土浇筑养护阶段,抗压强度未形成之前,所有的荷载均施加在钢管拱肋上,混凝土达到加载龄期,强度形成后按钢材与混凝土的联合截面进行计算。由于主拱圈的结构跨度较大,且为压弯受力构件,因此在主桥的施工阶段计算过程中需要考虑P-Δ效应。

3.1 计算荷载及效应组合

(1)自重:钢材容重取78.5 kN/m3,钢筋混凝土容重取26 kN/m3,沥青铺装容重取24 kN/m3。

(2)不均匀沉降:主桥拱座基础考虑不均匀沉降1 cm。

(3)温度荷载:钢管混凝土主拱圈合龙温度15 ℃,按照体系升降温25 ℃考虑,钢结构与混凝土结构温差:±10 ℃,钢梁与混凝土桥面板温差:±10 ℃。

(4)风荷载:施工阶段和运营阶段风荷载作用效应按《公路桥涵设计通用规范》及《公路桥梁抗风设计规范》计算。按照基本风速V0=28.9 m/s来计算风荷载。

(5)混凝土收缩及徐变:管内微膨胀混凝土C55,大气平均相对湿度按90%取。

(6)汽车活载:公路-Ⅰ级,双向2车道,计入纵、横向折减系数,冲击系数取值0.054,制动力取值165 kN。

(7)人群荷载:2.4 kN/m2。

施工阶段划分主要考虑混凝土形成结构强度之前后两种工况,混凝土浇筑养护阶段作为外部荷载施加在主拱圈上,形成整体结构后考虑联合后的整体截面刚度进行计算。将施工过程划分为14个施工计算工况。

3.2 施工阶段计算结果汇总

拱肋钢管混凝土作为钢管和混凝土两种材料单元进行组合,根据其的材料特性和施工安装过程,采用有限元法叠加计算钢管应力。计算结果见表1,通过上述应力结果,在拱圈进行安装后混凝土浇筑的施工过程中,钢管最大压应力为-91.7 MPa,最小压应力-3.8 MPa,满足规范要求。

表1 施工阶段构件应力汇总 (单位:MPa)

桥面系施工及施加二期恒载,拱肋钢管最大压应力-118.8 MPa,最小压应力-34.8 MPa;钢管内混凝土最大压应力为-9.7 MPa,最小压应力-2.4 MPa;满足规范要求。

由于徐变作用影响,拱肋钢管应力增加幅度较大[5],参考已建钢管混凝土拱桥徐变系数的取值:茅草街大桥φ(t∞,τ)=1.8～2.5,丫髻沙大桥取φ(t∞,τ)=1.8～2.0。依据规范修正方法,整体计算取最大徐变系数2.8。考虑成桥后3 650 d,拱肋钢管应力增加41.5 MPa。拱肋钢管最大压应力-157.3 MPa,拱肋混凝土最大压应力-5.1 MPa。

3.3 运营阶段计算结果汇总

(1)运营阶段各构件应力

表2中给出了主桥各主要构件运营阶段应力极值。

表2 运营阶段构件应力汇总 (单位:MPa)

计算结果表明:运营过程中,各钢构件最大压应力为-186.5 MPa,最大拉应力120.2 MPa。钢管内混凝土最大压应力为-15.9 MPa,最大拉应力为0.92 MPa(拱脚),均满足规范要求。

(2)拱肋承载力验算

根据对称性取全桥1/4主拱肋进行承载力验算,依据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)进行荷载组合。拱肋按照压弯构件进行承载能力验算,根据《公路钢管混凝土拱桥设计规范》5.3.2条:压弯承载力应按下式计算

(3)节点疲劳验算

主拱肋承受整体荷载产生疲劳现象,采用疲劳荷载模型I验算钢管混凝土主拱圈及各构件疲劳强度。疲劳荷载按照活载(集中荷载0.7 Pk,均布荷载0.3 qk)+温度进行加载。疲劳验算应满足构件在疲劳荷载作用下的名义应力Δσ≤[σ0],N或K型相贯管节点容许应力[σ0]=50 MPa。通过计算,本桥主拱腹杆疲劳应力幅最大值为35.3<50 MPa,满足规范要求。

(4)桥梁刚度验算

经计算,主拱在活载作用下的挠度为δmax=16.0 mm,δmin=21.8 mm,Δδ=37.8

3.4 结构稳定性分析

本桥采用midas建立结构有限元模型,第一类线弹性稳定计算方法,分别考虑设计风速及最不利活载的作用,即成桥阶段,恒载+全幅车辆荷载,恒载+全幅车辆荷载+风荷载等三种工况的稳定系数。计算结果如表3所示。

表3 稳定计算结果汇总表

计算表明:恒载作用下结构第一阶稳定系数为36.3,恒载和汽车荷载作用下结构第一阶稳定系数为28.1,恒载、汽车荷载和风荷载共同作用下结构第一阶稳定系数为27.3,三种不同荷载作用下结构的第一阶失稳模态为立柱的局部失稳。结构稳定性系数满足相关规范要求(大于4)。拱肋表现为面外失稳,本桥稳定性受面外刚度控制,与大多数拱桥失稳模态一致,也与本桥宽度有一定关系;本桥的结构稳定安全系数大于稳定系数最小值4.0,结构的整体稳定性和局部稳定性均满足使用要求。成桥状态在风荷载作用下,结构稳定性系数为27.3。活载及风载对稳定的影响相对较小,对称加载比不对称加载更加不利。

4 结 语

(1)大桥静力分析表明,施工和运营阶段大桥各杆件的强度、刚度以及稳定性均满足规范要求。

(2)钢管混凝土收缩徐变会引起拱肋应力重分布,增大了钢管的压应力,减小了混凝土压应力。

(3)大桥结构稳定系数均大于4,边立柱容易发生局部失稳,设计时需重点考虑。