下承式钢管砼拱桥结构设计分析

下承式钢管砼拱桥结构设计分析

作者：胡肖强

来源：《科技创新导报》2011年第03期

摘 要:钢管砼拱桥在我国的应用仅有十几年的时间,但是在这短短的十余年时间里,它却获得了飞速的发展,工程成品遍布我国的大江南北,是现阶段最为常用的桥梁形式之一。本文主要以某工程为例,对钢管砼拱桥中的尼尔森双吊杆结构体系的设计工作进行了探讨。

关键词:下承式钢管砼拱桥桥梁设计尼尔森体系

中图分类号:U448.225 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)01(c)-0114-02

因结构自身具有经济美观、施工简便等优点,钢管混凝土拱桥近年来在国内的修建方兴未艾。自1990年在四川省旺苍县建成我国第一座大跨度钢管混凝土拱桥以来,其数量占全部桥型结构的比重逐渐增多,尤其是大跨径的钢管砼拱桥。

钢管砼结构充分发挥了钢材和砼两种材料的优越性,多用于以受压为主的结构构件,钢管砼拱桥就是其表现形式之一。而将钢管砼系杆拱桥中的竖直吊杆改为斜吊杆,是尼尔森体系系杆拱桥结构的最主要特征之一,与一般的直吊杆系杆拱桥相比,该结构主要有以下几点优势:(1)能够大幅降低主拱和系杆的剪力值、弯矩,同时又不会对轴力产生太大影响。(2)可以在很大程度上提高桥梁结构的整体刚度。(3)能够使系梁、拱肋弯矩的分布变得更加均匀,增强桥梁的整体性能,使桥梁变得更加安全可靠。

1 工程概况

本文所举的工程实例是一座跨河城市景观桥梁,该桥与所跨河道中心线的夹角为85°,中心桩号为K0+954。桥梁上部的跨径设置为3×16m+62m+3×16m,其中,桥梁的主跨结构为单孔下承式钢管混凝土刚性系杆结构,计算跨径为60m,采用的是尼尔森双吊杆体系。桥梁的横断面见图1,总体布置见图2。

2 工程设计与分析

2.1 桥梁结构设计

(1)拱肋。主桥采用下承式钢管砼拱桥,计算跨径为60m,矢跨比为1∶5。拱肋轴线采用二次抛物线,2.4m高的哑铃形钢管混凝土组合截面,平面内矢高为12m,采用由14mm厚的钢板卷制而成的直径为1m的钢管,用14mm厚的腹板连接在一起形成哑铃形截面,并且每隔一段距离就在两腹板间焊接拉筋,最后向钢管内灌注无收缩混凝土。(2)系梁和拱脚。桥梁的系梁截面为单箱单室预应力混凝土箱形,其中梁高2.4m,箱宽1.4m,顶板、底板和腹板的厚度均为0.3m,在底板上还设有通气用的孔洞。顺桥向6.4m范围内的拱角被设计成加厚实体段。系梁和拱脚所使用的混凝土均为C50。(3)横梁。中横梁的截面为T型,截面高度为1.85m～2.06m,间距为6m;桥梁端横梁的截面为矩形,横桥向高度为2.15m～2.36m,纵桥向宽度为1.975m,采用的是支架现浇。另外两条系梁与横梁一同形成了具有较大刚度的桥梁平面框架。(4)吊杆。吊杆采用的是尼尔森双吊杆体系,吊杆材质为高强度、低松弛镀锌平行钢丝束,间距为6m,水平夹角为48.493°～63.587°,横桥向的水平夹角为90°,两个交叉吊杆的横向中心间距为26cm。索体采用的是低应力防腐蚀索体,并且在其外部包裹了不锈钢防护层。(5)风撑。桥梁的两拱之间共设置两道由

3360mm、450mm和550mm圆形钢管组成的K撑,钢管内不灌注混凝土,但是其表面均作了防腐蚀处理。

2.2 桥梁结构计算分析

主桥的空间模型和上部结构的平面模型分别由midas civil 2006和桥梁博士v3.2计算,其中空间模型中的桥面系、横梁、系杆、拱肋等结构均采用梁单元模拟,吊索采用的是只受拉桁架单元模拟。平面结构主要包括吊杆、系梁和拱肋,其中吊杆共计16个,采用的是索单元;系梁共计28个,采用的是预应力混凝土梁单元;拱肋共计26个,采用的是组合构件单元。空间模型与平面结构模型的面内内力计算结果较为接近,但由于在平面模型中,所有的荷载都分布在一个平面内,所以各个构件不会产生面外的扭矩和弯矩,但是在实际工程中,系杆拱是通过横撑与端横梁形成空间结构,所以在荷载的作用下,系梁和主拱必然会形成面外的扭矩和弯矩,详见图3。从图3我们可以清楚的看出,在荷载的作用下,拱肋的面外扭矩和弯矩都变得非常小,而系梁拱脚处的扭矩则明显增大。因此在进行系梁的设计时,要充分考虑到扭矩的因素,对系梁拱脚部位的截面尺寸要进行合理控制,并适当增加该部位的钢筋配置。由于无法在平面模型中对吊杆横梁的受力进行考虑,所以无论是按照固端梁还是简支梁计算都必然无法得到准确的结果。在空间模型中,是根据实际构造将横梁与系梁连接在一起,因而横梁的受力状态是介于固端梁和简支梁之间,详见表1。由表1可以看出,简支梁和横梁在跨中部位基本受正弯矩的作用,受力也比较接近,只有在拱脚部位的横梁才具有绝对值较低的负弯矩。所以,吊杆横梁跨中的正弯矩应该取简支梁的跨中弯矩,而负弯矩则应该根据靠近拱脚部位的吊杆横梁的负弯矩来进行设计,一般来说,固端处绝对值较小的负弯矩可以用增加预应力钢束或普通钢筋的方法予以消除。在对平面模型的计算中,通常将端横梁的受力简化成简支梁受力进行计算,但是在实际工程中,系梁所传来的扭矩基本都会被转化为端横梁的正弯矩,因此,端横梁的实际受力情况与模型分析数据相差一般较大,在进行这一部分的设计时,应对其进行综合考虑,以便正确配置预应力钢束。另外,还要注意将系梁和横梁分别按照预应力混凝土构件和A类预应力混凝土构件进行设计,并对它们进行承载极限、