单拱面下承式系杆拱桥的稳定分析

文章编号: 0451- 0712(2006) 10- 0046- 03 中图分类号: U448. 53 文献标识码: B 单拱面下承式系杆拱桥的稳定分析 叶建龙, 赵云安, 朱 刚 ( 浙江省交通规划设计研究院 杭州市 310006) 摘 要: 宁波大沙泥桥主桥长123. 52 m, 桥宽33 m, 采用单承载面的下承式钢管混凝土系杆拱桥结构。 作为施 工图监理的一部分, 本文用SUPER SAP93 程序对本桥的施工过程和营运状态下桥梁结构稳定性进行了分析。 关键词: 系杆拱桥; 稳定性; 稳定系数; 分析 1 大沙泥桥概况 1. 1 主桥设计概况 大沙泥桥位处宁波市中心, 跨越奉化江。 在初步 设计阶段, 对主桥进行多种桥型方案的比选, 最终选 择了单承载面的下承式钢管混凝土系杆拱桥结构。 这种方案结构简洁, 行车通透, 技术先进, 体现了时 代的步伐。桥梁总体布置见图1 所示。 单位:cm 图1 桥梁总体布置 主孔计算跨径为120 m, 全长123. 52 m, 桥面总 宽33 m, 宽跨比为1/ 3. 64。系梁梁高2. 0 m, 横截面 为单箱5 室, 上顶板宽为 33. 0 m、 下底板宽 21. 4 m, 采用双向预应力体系。 主梁外腹板为斜腹板, 斜率为 1/ 2. 3; 外挑臂4. 725 m; 中间室的2 侧腹板上布置着 系杆的纵向受拉钢绞线, 平衡由拱圈传递的水平分 力。在拱脚处梁高增大。系梁中横梁间距为6. 0 m, 中横梁位置与吊杆位置相同。 主拱圈采用钢管混凝土结构, 拱圈轴线采用 2 次抛物线( 即拱轴系数m= 1) , 矢跨比为1/ 5。截面 由2 根?1. 8 m 的钢管通过上下 2 块钢板焊接而成。 拱圈在拱座处加强。 钢管内及钢管之间填充混凝土。 吊杆采用拉索, 拉索间距为6. 0 m。 本桥的设计荷载: 荷载标准- 城市 A 级; 人群 3. 5 kN/ m 2; 温度影响按桥面板日照升温5考虑。 1. 2 主桥上部结构施工方案 根据大沙泥桥地质及河流潮汐、 通航状况, 主桥 采用少支架施工方法。 施工次序为先梁后拱, 在河中 设置4 个临时支墩, 在临时支墩上搭设支架, 立模板 浇注箱梁的中间部分及两端横梁形成工字形结构。 张拉部分纵向预应力束。 在中箱上, 立支架安装钢拱 圈、 吊杆、 拉索。泵送压注钢管混凝土。为控制钢管 收稿日期: 2006- 09- 06 公路 2006年10 月 第10 期 HIGHWAY Oct. 2006 No. 10 在浇注混凝土过程中的变形及保证钢管拱圈的稳 定, 采用分3 次浇注。 待钢管中混凝土达到设计强度 后, 第1 次张拉吊杆预应力束, 中箱落架。将箱梁支 架向两侧移至边箱处。 立模浇注2 边箱梁。 待边箱达 到设计强度后, 张拉边箱纵横向预应力束, 并张拉第 2 次拉索, 使之达到设计值。 最后, 边箱落架, 完成桥 面系的施工。 对于这种大跨径单承载面拱桥, 保证施工过程 中及成桥后结构的稳定显得尤为重要, 因此有必要 对主桥结构施工过程及运营状态进行稳定分析。 2 主桥稳定分析 主桥的稳定分析采用SUPER SAP93 程序来计 算。 通过建立空间梁格单元的空间有限元模型, 对多 个关键工况进行屈曲分析计算, 并对计算过程中的 一些主要注意事项进行了说明。 2. 1 空间有限元模型的建立 整个承载结构主要由3 部分组成: 拱肋、 系梁、 吊杆。 为了简化计算, 采用空间梁格单元来模拟主桥 结构, 拱肋用梁单元模拟。在灌注拱肋混凝土前, 拱 肋的材性是钢; 在灌注混凝土并达到强度后, 混凝土 和钢共同作用, 形成组合截面, 计算中把钢换算成混 凝土。系梁要考虑纵向系梁及横梁作用。纵系梁横 截面为单箱5 室, 在划分有限元梁格模型时, 用6 根 沿腹板中心的“ 工” 字形截面模拟。横向按横隔板的 位置每6 m 设1 个横梁。 整个纵系梁的重量( 扣除横 隔板的重量) 由6 根纵梁承担; 横隔板的重量由横梁 承担。由于横梁的受力面积包括了横隔板和纵梁的 横向刚度面积, 因此, 在确定横梁材性的重量密度 时, 要按面积比例换算。吊杆用抗弯、 抗扭刚度很小 的梁单元模拟。 在拱脚处, 考虑到结构实际受力的复杂性, 用刚 臂把拱肋和系梁连接起来。端横梁及端横梁与中间 2 根纵系梁的连接亦用刚臂模拟。具体在程序计算 中, 用面积、 抗弯惯矩、 抗扭惯矩放大100 倍来实现, 同时相应的重量密度要缩小100 倍。结构几何模型 见图2所示。 2. 2 计算工况 根据施工方案的内容, 把施工过程和运营状况 划分了几个主要工况。具体如下。 工况1: 拱肋钢骨架架设完毕, 灌注钢管混凝土; 工况 2: 混凝土达到设计强度并与钢管共同作 用, 张拉吊杆, 系梁脱模; 图2 结构几何模型 工况3: 成桥运营状态时, 全桥系梁满布载; 工况4: 成桥运营状态时, 半桥系梁满布载。 2. 3 计算要点 ( 1) 考虑到混凝土材料本身所固有的特性, 取计 算中混凝土的弹性模量折减系数为0. 85。 ( 2) 预应力索近似地用作用在系梁端部的集中 力来代替; 在横截面上, 把每一根腹板附近的预应力 集中到相应的纵梁上。同时, 考虑预应力损失, 折减 系数取为0. 8。 ( 3) 不考虑剪切影响, 在计算中让剪切面积等于0。 ( 4) 考虑横向风力对结构稳定的影响, 在拱肋及 系梁上作用相应的横向作用力, 具体取值参考 公路 桥涵设计通用规范 ( JT J 021- 89) 。 ( 5) 在工况1 中, 混凝土的重力荷载按公式w / v 换算成承载结构的重量。 其中w 为新上结构的重量, v 为承载结构体积。工况3、 工况4 中, 成桥状态的桥 面铺装同样按上式近似换算成承载结构的重量。 ( 6) 在成桥运营状态, 由于是六车道, 根据 城市 桥梁设计荷载标准 的要求, 考虑了城- A 车道荷载 的折减系数。 3 计算结果 经过计算分析, 各工况的稳定系数及失稳模态 见表1 和图3。 表1 各工况的稳定系数 工况描述稳定系数失稳模态 1 钢管架设完毕, 灌注钢管内混凝土。 钢管内混凝土是作为荷载, 受力结 构是钢管。 6. 2面外失稳 2 混凝土达到设计强度, 与钢管共同 作用。张拉吊杆内力。 5. 6面内失稳 3成桥运营时, 全桥满布载。5. 9面内失稳 4成桥运营时, 半桥满布活载。6. 0面内失稳 47 2006 年 第10 期 叶建龙等: 单拱面下承式系杆拱桥的稳定分析 图3 各工况的失稳模态 4 结语 通过对本桥的稳定性分析, 得到以下几点体会。 ( 1) 按照结构整体稳定系数不小于4 的要求, 本 桥在施工过程中和运营状态下的稳定性是有保证 的。 现大沙泥桥已建成通车, 实践证明本桥的设计是 成功的。 ( 2) 在拱桥设计时, 应充分考虑施工的实际情 况, 并进行多工况的稳定分析。 施工时特别要考虑到 横向风力的影响。运营过程中要考虑到多种活载的 布载工况。 参考文献: 1 JTJ 023- 85, 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设 计规范 S. 2 (英)E C汉勃利. 桥梁上部构造性能M . 北京: 人民 交通出版社 . 3 李国豪. 桥梁结构稳定与振动 M. 北京: 中国铁路出 版社 . Stability Analysis of Single Arch Face and Through Tied Arch Bridge YE Jian-long, ZHAO Yun- an, ZHU Gang ( Zhejiang Provincial Plan Design and Research Institute of Communications, Hang zhou 310006, China) Abstract:T he Dashani Bridge is a single arch face and concrete filled steel tubular ( CFST ) through tied arch bridge with the main span of 123. 53 m and the width of 33 m in the Ningbo City. As a part of construction consultant, its s