摘要: 西安北環(huán)鐵路西閆特大橋主橋?yàn)?8m鋼管混凝土系桿拱, 結(jié)合本橋工程實(shí)例, 簡要介紹鋼管混凝土系桿拱的設(shè)計(jì)與施工。
關(guān)鍵詞: 鋼管混凝土系桿拱結(jié)構(gòu)分析
1 前言
鋼管混凝土系桿拱由于其具有建筑高度低, 跨徑大、易于整體拼裝, 正越來越受到人們的青睞, 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了混凝土的抗壓能力及鋼材的抗壓、抗拉能力, 主要用于承受軸向壓力的構(gòu)件。與鋼或混凝土單一材料制成的構(gòu)件相比, 鋼管混凝土結(jié)構(gòu)可提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。
2 橋型方案介紹
西安北環(huán)線為一次雙線貨運(yùn)鐵路, 西閆特大橋主要為跨越西閆高速公路而設(shè), 西閆高速公路為雙向4車道, 既有路面寬28m, 線路與高速公路斜交10度。立交凈空5.5m。由于受線路坡度及高速公路寬度、凈空的限制, 若采用連續(xù)梁或簡支梁, 橋梁建筑高度較高, 必引起橋長加大, 工程投資增大, 而采用系桿拱不但可以有效降低建筑高度, 縮短橋長, 節(jié)約投資, 而且線型美觀。故采用48m鋼管混凝土系桿拱橋方案。
3 系桿拱構(gòu)造
計(jì)算跨徑為48m( 橋全長49.2m) , 矢跨比為1/4.248。拱軸線為二次拋物線方程:y=4fx(L- x)/L, 拱橋理論矢高f=11.3m。兩片拱肋之間間距為10.3m。拱肋采用兩根Φ65cm的鋼管形成啞鈴型截面, 高1.5m。兩片拱肋間設(shè)5根Φ65cm鋼管橫撐及8根Φ40cm鋼管斜撐。鋼管內(nèi)灌注C50微膨脹混凝土。系梁為高2.6m, 寬1.04m, 腹板寬0.5m, 翼緣厚0.5m的工字型斷面。吊桿采用55束Φ7mm鍍鋅鋼絲。
4 系桿拱的計(jì)算分析
系桿拱屬于外部靜定, 內(nèi)部為多次超靜定結(jié)構(gòu)。按彈性理論進(jìn)行分析計(jì)算。利用BSAS程序和Sap2000程序進(jìn)行了平面線性靜力計(jì)算、空間線性靜力計(jì)算及動(dòng)力分析, 采用不同的計(jì)算模型來計(jì)算各階段的內(nèi)力、應(yīng)力和變形。計(jì)算模型見下圖。
4.1 計(jì)算荷載
(1) 結(jié)構(gòu)自重
(2) 列車活載: 采用“中- 活載”
(3) 列車豎向動(dòng)力作用: 拱圈及系梁計(jì)入列車動(dòng)力作用, 系數(shù)按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》第4.3.5條規(guī)定取值。
(4) 列車橫向搖擺力及制動(dòng)力。
(5) 混凝土的收縮影響。
(6) 溫度力的影響。
4.2 平面靜力分析
4.2.1 內(nèi)力計(jì)算
平面靜力分析主要采用BSAS軟件進(jìn)行計(jì)算, 不考慮橫梁、橫撐、斜撐的共同作用。由于鋼管混凝土屬于復(fù)合材料, 在結(jié)構(gòu)計(jì)算中采用等截面、等剛度代換。壓縮和拉伸剛度為: EA=EaAa+EcAc彎曲剛度為: EI=EaIa+EcIc式中, Aa、Ia分別為鋼管橫截面的面積和對(duì)其重心軸的慣性矩; Ac、Ic分別為鋼管內(nèi)混凝土橫截面的面積和對(duì)其重心軸的慣性矩; Ea、Ec分別為鋼材和混凝土的彈性模量。
運(yùn)營狀態(tài)下控制截面的彎矩及軸力計(jì)算結(jié)果見下表:
4.2.2 強(qiáng)度、應(yīng)力檢算
系梁既承受拱肋傳遞的拉力, 又承受恒載及活載分配的彎矩, 按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件計(jì)算。根據(jù)規(guī)范要求, 系梁不出現(xiàn)拉應(yīng)力, 強(qiáng)度安全系數(shù)大于2.0, 抗裂安全系數(shù)大于1.2。
拱肋主要承受軸力, 按鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度及應(yīng)力檢算。在計(jì)算中把鋼管混凝土折算成相應(yīng)的鋼筋混凝土, 沒有考慮鋼管的套箍作用, 沿用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論, 使設(shè)計(jì)簡潔明了。
4.2.3 拱肋穩(wěn)定性驗(yàn)算
拱肋的穩(wěn)定性驗(yàn)算分為拱平面內(nèi)穩(wěn)定和拱平面外穩(wěn)定。
(1) 拱肋平面內(nèi)穩(wěn)定
該項(xiàng)驗(yàn)算是把拱肋換算為相當(dāng)長度的壓桿, 按承受最大水平推力的中心受壓桿件進(jìn)行檢算, 其計(jì)算長度Lo按下式計(jì)算:
其中: L為拱的跨度; f 為拱的失高; K值按規(guī)范中表5.2.13取值。
(2) 拱肋平面外穩(wěn)定
用橫撐聯(lián)系起來的拱肋, 橫向剛度是以整個(gè)結(jié)構(gòu)按立體空腹桁架的工作來確定, 用橫撐聯(lián)系的肋拱穩(wěn)定計(jì)算是一個(gè)比單獨(dú)肋拱的計(jì)算更為復(fù)雜, 采用近似的計(jì)算方法, 即將它當(dāng)做長度等于拱軸長度的平面空腹桁架來分析, 采用拱跨度1/4點(diǎn)處的縱向力作為這個(gè)平面桁架的弦桿中的壓力。臨界力按鐵摩辛柯的組合桿件公式計(jì)算:
其中: a、h為節(jié)間長度及弦桿軸線間的距離; Ip、In為橫撐和弦桿對(duì)豎軸的慣性矩; Ia為拱軸線長度。
4.3 空間靜力分析
空間靜力計(jì)算采用Sap2000軟件來分析, 橫梁、橫撐、斜撐都簡化為桿系單元, 與系梁和拱肋共同作用,形成一空間整體計(jì)算模型。由于列車加載方式以及單線加載時(shí)偏載作用, 引起扭矩, 受力相對(duì)復(fù)雜。且空間計(jì)算時(shí), 橫梁、橫撐及斜撐共同參與受力。從本橋計(jì)算結(jié)果上看, 內(nèi)力結(jié)果相差不大, 這說明, 對(duì)于一般中小跨度系桿拱橋, 平面靜力分析結(jié)果可以滿足設(shè)計(jì)要求。
4.4 空間動(dòng)力分析
利用Sap2000對(duì)本橋進(jìn)行了動(dòng)力特性分析, 求出前十階自振頻率。
其中第一振型為拱肋面外對(duì)稱撓曲振動(dòng), 第二振型為橋面系面外對(duì)稱撓曲振動(dòng), 第三振型為橋面系與拱肋上下?lián)锨駝?dòng), 第四振型為橋面系從以上可看出, 系桿拱的前兩階振型均為拱肋面外振動(dòng), 第三階振型才是豎向振動(dòng), 所以說系桿拱豎向剛度較大, 根據(jù)規(guī)范, 簡支梁豎向自振頻率應(yīng)不小于no( no=23.58*LΦ- 0.592=2.384Hz) 。本橋滿足要求。
5 施工簡介
鋼管混凝土系桿拱的受力同其施工順序密切相關(guān)。本橋施工采用先梁后拱法, 即先在支架上澆注系梁和部分橫梁, 使其先形成受力結(jié)構(gòu), 以它為施工平臺(tái),吊裝拱肋、橫撐、斜撐, 安裝吊桿, 最后安裝剩余橫梁,調(diào)整吊桿力, 鋪設(shè)橋面工程, 達(dá)到成橋狀態(tài)。
6 體會(huì)
鋼- 混凝土組合梁結(jié)構(gòu)是利用鋼材耐拉、混凝土耐壓而結(jié)合成整體并共同工作的一種結(jié)構(gòu)形式。與鋼或混凝土單一材料制成的構(gòu)件相比, 鋼- 混凝土組合梁結(jié)構(gòu)可提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度, 隨著先進(jìn)的泵送混凝土工藝的應(yīng)用, 鋼- 混凝土組合結(jié)構(gòu)特別在大跨度橋梁上將會(huì)有更大的發(fā)展。
參考文獻(xiàn):
〔1〕陳寶春、李勇鋼- 混凝土組合橋梁設(shè)計(jì)與應(yīng)用
〔2〕黃喬橋梁鋼- 混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理
〔3〕鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范(TB10002.1- 2005)
