钢管混凝土桁架拱桥横向偏移时的稳定性分析

2011-09-13胡启升

四川建筑 2011年5期

胡启升

(川铁国际经济技术合作有限公司，四川成都610032)

1 概述

1.1 桥式结构

大桥位于川西的V型河谷地区，由主桥和引桥两部分组成，主桥结构形式为中承式钢管混凝土桁架拱，计算跨度200m。设计荷载:汽－超20级，挂－120级，人群3.5 kN/m2;设计车速:40 km/h;地震烈度:7度(按8度设防)。桥面净宽24.1m，其中行车道宽15.0m，桥梁纵、横坡分别为1%和1.5%。

拱轴线为悬链线，拱轴系数为1.756，矢跨比为1/4.5。拱肋采用桁架式，竖向高度为3.5m，跨度为1.8m，上、下弦杆由两根直径为750mm的钢管，钢管通过缀板组成哑铃形断面，再通过竖向腹杆和斜腹杆组成空间桁架结构，拱肋间距17.5m，上下弦管管壁厚度为12mm，缀板厚度为16mm，腹杆均为直径为351mm、厚10mm的无缝钢管，钢管内填充C40微膨胀混凝土;在拱轴与桥面相交段部位的拱肋为实心截面，其内填充C50混凝土;桥面系至拱脚段，为防止钢管拱肋锈蚀和防止漂浮物撞击，采用空心箱形结构，外包C50混凝土。为了保证拱肋的横向稳定性，拱肋之间设置11道风撑，其中桥面以上及桥面以下实心段各设置7道和2道空钢管构成的桁架梁风撑，拱脚以上设置钢筋混凝土K撑2处。拱肋采用节段预制悬吊拼装，每肋分七段预制。安装从两岸上、下游拱肋同步对称进行。空管合龙后分节段灌注混凝土。吊杆横梁及立柱横梁为部分预应力混凝土结构。吊杆为平行高强钢丝束，外套PE防护材料。桥式结构见图1所示。

1.2 大桥施工及成桥状态

该桥在吊装安装阶段，以吊装节段接头处吊杆中心线测量，桥轴线满足设计要求;灌注混凝土之后，桥轴线偏移最大位移136mm，约为跨度的1/1 600。桥面板吊装完成之后，测量结果基本未发生变化。三个月后，经检测后发现，下游拱肋仍向上游偏移;上游南岸拱肋也向上游偏移，上游北岸拱肋向下游偏移;南岸上下游拱肋均向上游偏移，且偏位大的均集中在4#～12#吊杆，上游10#偏位106mm，下游8#偏位128mm。测量桥轴线偏位如图2所示。

图1 桥式结构

图2 拱肋变形(mm)

2 检算依据

《公路桥涵设计通用规范》［1］(JTJ 021－89);《钢－混凝土组合结构设计规程》［2］(DL/T 5085－1999);《大桥设计施工文件》;《大桥施工及竣工检测报告》。

3 建模及结构分析

3.1 结构计算图示

根据该桥的桥梁结构特性，采用梁单元模拟上、下弦管钢管混凝土桁架结构和桁架之间的连接系，钢管拱肋之间缀板采用梁单元模拟单位长度上的缀板刚度作为拱肋之间的连接刚度。钢管混凝土主桁结构和桥面系结构之间采用杆单元连接。主桁单元和实腹填充混凝土拱脚之间过渡点采用刚性连接，将节点自由度约束一致。全桥共2603个单元，节点1122个，模型见图3。

图3 结构模型

3.2 结构分析

3.2.1 荷载分析

(1)重力:按照结构实际使用的材料并对应规范参数计算结构重力。

(2)活载:分析过程中按照全跨满载和偏载，以及半跨满载和偏载的活载工况对结构进行活载加载，而后计算得到吊杆拉力，换算为吊杆处的节点荷载。活载结构加载图见图4～图7。

图5 活载偏载满载加载

图6 活载正载半载加载

图7 活载偏载半载加载

(3)风荷载:按照《公路桥涵设计通用规范》［1］(JTJ021－89)中2.3.8条计算结构风荷载。按照各个杆件的实际截面面积施加为单元均布力。

图8 风荷载加载

3.2.2 工况分析

分析过程中按照全跨满载和半跨满载的活载工况进行加载，分考虑风荷载时的稳定性和不考虑风荷载时的稳定性两大类计算。

3.2.2.1 稳定分析工况

工况1:结构恒载+汽车活载(正载，满载)

工况2:结构恒载+汽车活载(偏载，满载)

工况3:结构恒载+汽车活载(正载，半载)

工况4:结构恒载+汽车活载(偏载，半载)

工况5:结构恒载+汽车活载(正载，满载)+风荷载

工况6:结构恒载+汽车活载(偏载，满载)+风荷载

工况7:结构恒载+汽车活载(正载，半载)+风荷载

工况8:结构恒载+汽车活载(偏载，半载)+风荷载

3.2.2.2 应力分析工况

汽车荷载按照汽－超20影响加载。

工况9:结构恒载+汽车活载(正载)

工况10:结构恒载+汽车活载(偏载)

工况11:结构恒载+汽车活载(正载)+风荷载

工况12:结构恒载+汽车活载(偏载)+风荷载

3.2.3 整体稳定性分析方法

桥面系以外力形式作用于拱肋，略去其对拱的结构约束作用;结构整体稳定性计算按照考虑了结构初始几何缺陷(按照实际测量结果对拱轴线进行修正)的二类稳定方法对结构进行几何非线性计算。结构稳定性系数定义为，该工况下结构可变荷载的临界值和可变荷载加载值的比值。

4 计算结果

4.1 稳定计算结果

表1 整体稳定性计算结果

4.2 应力计算结果

4.2.1 主拱圈应力

主桁架采用12mmQ345钢管混凝土，设计弯曲容许应力为210MPa，从各个工况计算出的应力值来看，主桁架结构钢管应力除变截面点和主桁架和风撑结合位置外，其余各点均满足设计要求。拱脚段外包混凝土应力在各个工况下均为压应力，最大值为－14.1MPa，满足C50混凝土抗压设计强度值要求。

4.2.2 吊杆应力

从吊杆计算应力来看，在正载作用工况时(工况9和工况11)，吊杆应力比较均匀;在偏载和有风作用时(工况10和工况12)吊杆应力分布差异性比较大;在同时有偏载和风荷载作用时(工况12)，为吊杆最不利工况。在此工况下，吊杆应力最大值出现在短吊杆处(14#吊杆)，最大值为780MPa，吊杆最小应力也出现在此工况下，另一侧短吊杆(14#吊杆)几乎松弛。此工况也为结构整体稳定的不利工况，应该予以控制。从强度角度来看，设计中吊杆采用φ5高强钢丝，抗拉极限强度Rby=1670MPa，14#吊杆轴力安全系数为2.14，其余各吊杆安全系数均大于2.5，吊杆强度有较大富余，满足设计要求。

5 计算结果分析

5.1 动力及稳定性分析

对主拱考虑结构初始缺陷的几何非线性二类稳定分析，并综合考虑桥跨结构拱脚的实腹段和外包混凝土段作用情况下，结构先发生横向失稳。已发生的结构变形对结构的整体稳定性影响较小，且结构现在的几何线形在各种工况下的整体稳定性安全系数最小值为26.1，大于4，结构整体稳定性良好。

5.2 静力分析

主桁架计算最小安全系数为1.5;吊杆计算最大应力为450MPa，安全系数最小为3.7，大于规范要求的2.5要求。因此，主桁架、混凝土及吊杆应力满足规范要求。

由于活载和风荷载同时出现极值的概率非常小，规范上无特别明确的组合规定，故活载和风荷载组合计算结果仅作为了解结构安全系数大小的资料，不作为判断结构是否满足规范要求的依据。

从各个工况计算出的应力值来看，考虑风荷载时，主桁架结构钢管应力除变截面点和主桁架和风撑结合位置外，其余各点均满足设计要求。拱脚段外包混凝土应力在各个工跨下均为压应力，最大值为－14.1MPa，满足C50混凝土抗压设计强度值要求。

在桥跨结构承受偏载和风荷载时，结构处于最不利工况，个别吊杆出现最大拉应力780MPa，安全系数为2.14，其余吊杆安全系数均大于2.5，吊杆强度有较大富余，满足设计要求。

6 处理措施

6.1 主拱圈

根据施工监测和加载试验报告，该桥结构总体竖向刚度满足设计要求，结构总体工作基本正常;动载试验和空间计算表明目前全桥动力特性及动力响应正常;静载试验表明大桥结构目前基本处于弹性工作状态，空间静力计算表明拱圈仍有较大富裕量。但静载试验时，拱肋跨中下弦下缘应力实测值大于计算值，可能是跨中段部分钢管内混凝土与钢管有所脱空，造成该处钢管混凝土刚度下降，应力增加，必须采用特殊裂缝胶进行灌注，填充钢管与混凝土间隙。

6.2 桥面系

对破损桥面铺装进行修复或局部更换，以避免车辆在桥上跳车造成对结构的过大冲击;对伸缩缝内杂物进行清除，保证伸缩缝正常工作。

6.3 大桥检测

对大桥各部位质量状况进行全面检查，针对发现的问题，及时采取修复、补强和加固措施，保持大桥处于良好使用状态。同时，为了全面掌握主拱圈的线型和横向变位，在主桥拱肋上布置永久测量点，并在岸侧建立永久控制测量网，对主桥拱肋横向位移和线型进行定期测量。建立大桥的工作状况档案，以便根据拱肋横向变形发展状态作进一步评价分析。