【摘要】通過收集和分析已建鋼管混凝土拱橋橋道系結(jié)構(gòu)形式資料，對典型橋道系進(jìn)行結(jié)構(gòu)分類，再對各類橋道系結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值分析，最終得出鋼管混凝土拱橋橋道系合理結(jié)構(gòu)形式與適用范圍。
【關(guān)鍵詞】鋼管混凝土;拱橋;橋道系;有限元分析;連續(xù)縱梁
【中圖分類號】U448.2 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A
在西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目“鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究”中，四川省交通廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院承擔(dān)專題2:“大跨度鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與合理構(gòu)造形式”的研究工作。專題2又分為7個(gè)子課題，其中子課題2為“鋼管混凝土拱橋橋道系合理結(jié)構(gòu)形式與適用范圍研究”。
本子課題的研究按以下三階段進(jìn)行。第一階段:收集已建鋼管拱橋橋道系結(jié)構(gòu)形式資料，對典型橋道系結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研，形成典型橋道系結(jié)構(gòu)分類及總結(jié)調(diào)研報(bào)告。第二階段:數(shù)值分析各類橋道系結(jié)構(gòu)。第三階段:結(jié)合一、二階段成果，編制鋼管混凝土拱橋橋道系合理結(jié)構(gòu)形式與適用范圍研究報(bào)告。
1 典型橋道系結(jié)構(gòu)調(diào)研匯總
根據(jù)研究大綱，本子課題計(jì)劃首先收集已建鋼管混凝土拱橋橋道系結(jié)構(gòu)形式資料。現(xiàn)已收集到19座典型鋼管拱橋資料，分析總結(jié)如表1。
2 典型橋道系結(jié)構(gòu)分類
一類 :橋道系縱梁簡支于蓋梁上。
二類 :橋道系縱梁與吊桿橫梁鉸接。
三類 :橋道系縱梁與橫梁先簡支后連續(xù)剛接。
四類 :橫梁之間用縱梁連續(xù)貫通，車道板簡支于橫梁上。
五類 :橫梁與橋面板剛接。
各類橋道系結(jié)構(gòu)簡圖(見圖1)。
3 各類橋道系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
一類 :橋道系結(jié)構(gòu)類似于普通簡支梁橋，系縱梁簡置于蓋梁的支座上，地震基本烈度7
一般地區(qū)橋道度及7度以上
地區(qū)設(shè)置縱梁錨栓。
二類 : 橋道系縱梁置于吊桿橫梁上，并且橋道系縱梁與吊桿橫梁之間設(shè)置錨筋形成鉸接。
三類 : 橋道系縱梁在端部預(yù)留現(xiàn)澆段，吊桿橫梁和橋道系縱梁吊裝架設(shè)后，將縱梁鋼筋與吊桿橫梁預(yù)埋鋼筋焊接后澆筑現(xiàn)澆段形成橋道系連續(xù)結(jié)構(gòu)，并使橋道系縱梁與吊桿橫梁形成一定程度剛接。
四類 : 預(yù)制橫梁時(shí)同時(shí)預(yù)制在吊桿位置設(shè)置的與橫梁固接的縱梁，待橫梁和簡支行車道板架設(shè)完成后澆筑縱梁濕接頭，使縱梁形成連續(xù)結(jié)構(gòu)。
五類 : 預(yù)制箱形橫梁并將其懸挑板加長，箱形橫梁架設(shè)完成后，再澆筑各橫梁之間的懸挑板現(xiàn)澆段，使其形成連續(xù)橋面板。一般每根預(yù)制橫梁每側(cè)設(shè)雙吊桿。
4 各類橋道系結(jié)構(gòu)的調(diào)查情況
4.1 各類橋道系結(jié)構(gòu)所在的鋼管拱橋的結(jié)構(gòu)形式
一類 :出現(xiàn)于上承式拱橋中。
二類 :五類:出現(xiàn)于中、下承式拱橋中。
4.2 各類橋道系結(jié)構(gòu)所在的鋼管拱橋的縱梁跨徑
一類 : 上承式拱橋主孔跨徑較大，相應(yīng)橋道系縱梁跨徑比中下承式拱橋的大。
二類 : 五類:中、下承式拱橋吊桿間距一般4一8m。二類~三類吊桿間距稍大，四類~五類吊桿間距稍小。
4.3 各類橋道系結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的頻率
一類 : 出現(xiàn)于大多數(shù)上承式拱橋中。
二類 : 較多出現(xiàn)于各種跨徑的中下承式拱橋中。
三類 : 較多出現(xiàn)于大跨徑的中下承式拱橋中。
四類 : 有時(shí)出現(xiàn)于中下承式拱橋中。
五類 : 有時(shí)出現(xiàn)于中下承式拱橋中。
4.4 各類橋道系結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的年代
一類 :2000年一2001年
二類 :1995年一2002年
三類 :2000年一2004年
四類 :1990年一2005年
五類 :2001年
二類橋道系結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，較早被采用。隨著上承式鋼管拱橋的出現(xiàn)，一類橋道系結(jié)構(gòu)被采用。隨著中下承式鋼管拱橋的主跨越來越大，三類橋道系結(jié)構(gòu)被采用。四類橋道系結(jié)構(gòu)最早曾出現(xiàn)過，但其優(yōu)點(diǎn)未被認(rèn)識到，后來較少采用，隨著二類橋道系結(jié)構(gòu)的不安全性逐漸暴露，四類橋道系結(jié)構(gòu)又在被完善后重新被采用。五類橋道系結(jié)構(gòu)在臺風(fēng)地區(qū)被采用。
5 各類橋道系結(jié)構(gòu)曾發(fā)生的事故
四川宜賓小南門大橋?yàn)橹谐惺戒摻罨炷凉皹?，橋道系為二類橋道系，由于吊桿銹蝕和交通量超出設(shè)計(jì)交通量較多，吊桿突然斷裂，引發(fā)橋面系垮塌，造成了重大人員傷亡事故。
四川旺蒼東河大橋?yàn)橄鲁惺戒摴芄皹颍瑯虻老禐樗念悩虻老?，在運(yùn)營過程中吊桿曾被汽車撞斷一根，但由于設(shè)置了橫梁之間的小縱梁，未造成橋道系垮塌，因而也未造成傷亡事故。
6 橋道系結(jié)構(gòu)數(shù)值分析
對于上述5類橋道系結(jié)構(gòu)，經(jīng)過對施工順序的安排，其恒載大部分已經(jīng)發(fā)生的時(shí)候橋面系結(jié)構(gòu)仍為簡支結(jié)構(gòu)，因而每根吊桿承受的恒載均為相鄰兩跨恒載之和的一半。橋面系承受的活載如何通過吊桿傳至拱圈，需分別建立有限元分析模型進(jìn)行計(jì)算分析。下文對一跨徑為150m的中承式鋼管硅拱橋的橋面系的活載傳力方式進(jìn)行分析。全橋共兩根四肢析式拱肋，每根拱肋橫向分配系數(shù)為3.0，半橋?qū)?4.7m，吊桿間距4.84 m。下文分別將橋面系設(shè)定為以上各種類型進(jìn)行數(shù)字分析。
一類和二類橋道系結(jié)構(gòu)分析一類和二類橋道系結(jié)構(gòu)為簡支體系，吊桿承受的活載拉力為一集中力加兩吊桿之間的分布力，各吊桿拉力均為1232.8kN。
6.2 三類橋道系結(jié)構(gòu)分析
橋面系為先簡支后連續(xù)Ⅱ形梁，梁高45cm，每塊Ⅱ形梁寬l0cm，肋寬24cm。有限元分析模型參見圖2，拱腳為固結(jié)，吊桿與拱肋和橋面系之間為鉸接，橋面系與拱肋相交設(shè)置伸縮縫處僅將橋面系的豎向力傳給拱肋，橋面系在運(yùn)營狀態(tài)時(shí)為連續(xù)梁，各吊桿的活載拉力計(jì)算結(jié)果見表2(由邊至跨中)。
6.3 四類橋道系結(jié)構(gòu)分析
橋面系橫梁之間用縱梁連續(xù)貫通，車道板簡支于橫梁上。車道板為厚40cm的空心板;車道板下吊桿處設(shè)置矩形縱梁，高150cm，寬50cm?？v梁在兩吊桿之間設(shè)置50cm長后澆段，待橋面板架設(shè)和橋面系施工完成后再澆筑。有限元分析模型參見圖3，拱腳為固結(jié)，吊桿與拱肋和縱梁之間為鉸接，縱梁與拱肋相交設(shè)置伸縮縫處僅將橋面系的豎向力傳給拱肋，縱梁在運(yùn)營狀態(tài)時(shí)為連續(xù)梁，橋面板在吊桿處將恒、活載傳至縱梁和吊桿。各吊桿的活載拉力計(jì)算結(jié)果見表3(由邊至跨中)。
6.4 五類橋道系結(jié)構(gòu)分析
橫梁與橋面板剛接，橫梁為高1.8m、寬3.2m的預(yù)應(yīng)力箱形橫梁，橫梁架設(shè)完成后澆筑橫梁之間的橋面板，橋面板厚20cm，形成連續(xù)橋面系結(jié)構(gòu)，最后張拉縱向貫穿橋面系的縱向預(yù)應(yīng)力。有限元分析模型參見圖4，拱腳為固結(jié)，吊桿與拱肋和箱形橫梁之間為鉸接，橋面板與拱肋相交設(shè)置伸縮縫處僅將橋面系的豎向力傳給拱肋。各吊桿的活載拉力計(jì)算結(jié)果見表4(由邊至跨中)。
6.5 綜合分析
經(jīng)以上有限元計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)橋面系縱向剛度越大，活載沿橋縱向傳遞越多，吊桿力越均勻，因而吊桿力也就越小，最終拱圈受力越好。
一類和二類橋道系為簡支結(jié)構(gòu)，活載不能往遠(yuǎn)處傳遞，因而吊桿力最大，吊桿和拱圈受力最不利;三類橋道系為橋面板先簡支后連續(xù)結(jié)構(gòu)，部分活載能往遠(yuǎn)處傳遞，吊桿力在主跨的跨中附近較均勻且較小，吊桿和拱圈受力較好;四類橋道系設(shè)置剛度較大的連續(xù)縱梁，活載能往遠(yuǎn)處傳遞，吊桿力較均勻且得到有效減小，吊桿和拱圈受力最好;五類橋道系為箱形橫梁和橋面板連續(xù)結(jié)構(gòu)，由于橋面板剛度較小，只有部分活載能往遠(yuǎn)處傳遞，吊桿力在主跨的跨中附近較均勻且較小，吊桿和拱圈受力較好。
總之，中下承式鋼管拱橋的橋道系的縱向應(yīng)采用連續(xù)結(jié)構(gòu)，并應(yīng)加強(qiáng)縱向剛度，使活載沿橋縱向傳遞，使吊桿力更均勻、更小，最終使拱圈受力得到改善。
7 小結(jié)
經(jīng)過鋼管混凝土拱橋橋道系結(jié)構(gòu)形式的調(diào)研和數(shù)值分析，得出以下結(jié)論:
一類橋道系:適用于上承式拱橋。
二類橋道系:自身受力明確，對吊桿和主拱的受力影響也明確，計(jì)算簡單、施工方便;橋面系整體性差，動力特性較差，在吊桿出現(xiàn)意外時(shí)，容易發(fā)生重大安全事故;活載不能往遠(yuǎn)處傳遞，吊桿和拱圈受力最不利。該類型建議在有精心養(yǎng)護(hù)和吊桿系桿安全監(jiān)控系統(tǒng)的情況下適用于中小跨徑中下承式鋼管拱橋。
三類橋道系:整體性較好，吊桿和拱圈受力較好，適用于大跨徑的中下承式鋼管拱橋。
四類橋道系:連續(xù)縱梁主要承受活載內(nèi)力，能夠加強(qiáng)橋面系整體性，能夠防止因吊桿的意外引起重大安全事故;活載能往遠(yuǎn)處傳遞，吊桿和拱圈受力最好;連續(xù)縱梁尺寸較小，跨徑不宜太大。該類型適用于吊桿間距不大的中下承式拱橋。
五類橋道系:該類型橋面系整體性較好，能夠防止因吊桿的意外引起重大安全事故，由于橋面板剛度較小，只有部分活載能往遠(yuǎn)處傳遞，吊桿和拱圈受力較好;箱形橫梁架設(shè)重量大，施工條件要求高;橋面板厚度小，其跨度不宜太大。該類型適用于吊桿間距不大的中下承式拱橋，要求施工單位具有較大架設(shè)能力或架設(shè)條件較好。
