大跨度钢管混凝土中承式桁拱桥设计

大跨度钢管混凝土中承式桁拱桥设计

承德市规划南环路上的吴烈河桥。这座桥长170米，宽28米。该桥连接半壁山路和东环路,属于城市桥梁,道路等级为城市主干道II级。设计荷载标准:汽车荷载城—A级;人群荷载按CJJ77—1998《城市桥梁设计荷载标准》规定取用;区域抗震设防烈度VI度,地震动峰值加速度为0.05g,大桥提高一级按VII度设防;河道等级为非通航河道。武烈河大桥是旅游城市——承德市的重点市政项目,本桥在满足城市交通需求的同时,与周围环境充分融合,为周围的景观注入生机与灵动。大桥拟建场地地形平坦开阔,最大高差仅1.08m。地貌单元属武烈河高漫滩地貌类型。松散覆盖层由武烈河的冲洪积物组成。场地地层主要有第四系(Q4)粉土、粗砂、圆砾、强风化砂砾石、中风化砂砾石、微风化砂砾石组成,地质条件较好,含水层岩性为第②层粗砂和第③层圆砾。透水性及富水性较弱,地下水位埋深2.00～3.10m,勘察时为平水期,地下水位年变化幅度1.00～1.50m。1桥梁设计1钢管混凝土系统结构设计武烈河大桥建设场地地质条件较好,设计选用有推力的拱结构,拱的水平推力直接由墩台或基础承受。桥道系是局部承力与传力结构,不考虑与主拱联合受力,主拱圈(肋)是桥跨结构的主要承重构件。主桥采用有推力的单跨中承式钢管混凝土拱桥。中承式拱桥的桥面位于拱肋矢高的中间部位,桥道系一部分用吊杆悬挂在拱肋下面,一部分用立柱支撑在拱肋上。钢管混凝土中承式拱桥选择合适的矢跨比不仅可以使桥道系与拱肋的相对位置合理,造型美观,而且有利于横撑的布置。钢管混凝土作为钢与混凝土组合材料的一种,一方面借助于钢管内填筑混凝土,提高钢管受压时的稳定性,提高钢管抗腐蚀及耐久性;另一方面借助管壁对混凝土的套箍作用,提高混凝土的抗压强度,将钢材和混凝土有机地结合起来。在施工方面,钢管混凝土可利用空心钢管作为劲性骨架及模板,具有吊装质量轻、施工速度快、用钢量省等特点。2单条拱肋带武烈河大桥主桥采用单跨中承式钢管混凝土拱桥,跨径170m,横断面布置:2m(人行道)+2.5m(非机动车道)+2m(拱肋带)+15m(机动车道)+2m(拱肋带)+2.5m(非机动车道)+2m(人行道)=28m,设双向1.5%横坡。拱肋采用m=1.3的悬链线,矢高36m,矢跨比f/L=1/4.72。桥梁立面图见图1,横断面布置图见图2。3钢管弦杆的结构全桥分二榀拱肋,二榀拱肋中—中间距17.2m。地面以上每榀拱肋截面为四肢ϕ750mm×15mm钢管(弦杆)组成的等高度横哑铃形桁式,拱肋高度3.5m,宽度1.8m。每根拱肋上弦杆(下弦杆)之间用缀板横向连成整体,缀板厚10mm。腹杆采用ϕ400mm×12mm钢管。拱肋上、下弦杆及缀板内充填C40混凝土。4拱肋钢箱梁结构桥面以上两拱肋之间共设置7道一字横撑,横撑截面为四肢ϕ400mm×12mm钢管(弦杆)组成的等高度横哑铃形桁式,高度3.15m,宽度2.05m。横撑腹杆及上弦杆(下弦杆)之间连杆采用ϕ200mm×10mm钢管。拱肋与桥面交接处两拱肋之间全桥共设置2道肋间横梁。肋间横梁采用钢箱梁结构。地面以下拱肋采用钢筋混凝土结构,截面为矩形,高度4.0m,宽度2.2m,混凝土C40。两拱肋之间设置一道强大的横梁,截面为箱形,高度3m,宽度2m,壁厚40cm,混凝土C40。横梁和拱座之间设置2道斜撑,断面为矩形,高度2.0m,宽度1.5m,混凝土C40。5t形桥面板混凝土桥面系采用吊杆吊住预制预应力混凝土横梁(混凝土C50)。其上纵置预制钢筋混凝土T形桥面板(混凝土C30)。T形桥面板跨度分6m和9m2种,高度分别为50cm和60cm。T形桥面板先简支后连续,全桥共设置2道RG-80型钢伸缩缝。6高强平行丝吊杆间距设为6m,每根吊杆采用109丝ϕ7mm镀锌高强平行钢丝(标准强度1670MPa,Ⅱ类松弛),两端采用吊杆锚OVMDS(K)7-109。吊杆索外包挤黑色和彩色PE防护套各1层。每根吊杆上、下均设防震圈。7类松弛钢绞线横梁预应力体系采用ϕ15.20mm高强度低松弛(Ⅱ类松弛)钢绞线(标准强度1860MPa),钢绞线规格为15-9。钢绞线锚下控制张拉应力均为0.75Rbyyb=1395MPa(Rbyyb为标准强度)。8下一个结构主桥下部结构拱座基础采用扩大嵌岩基础,基础持力层选择在第⑥层微风化砂砾。2结构计算钢管混凝土拱桥计算与其他公路桥梁一样,采用以概率论为基础的极限状态设计方法。考虑两类极限状态,即承载能力极限状态和正常使用极限状态。2.1有限元计算验证有限元分析采用大型桥梁结构分析软件MIDAS。由于桥面系不参与总体受力,因此拱肋内力计算时将桥面系恒载和活载换算成吊杆内力,吊杆内力作为拱肋的外荷载,体系温度按降温35K、升温25K计算,汽车荷载为城—A级,人群荷载按CJJ77—1998《城市桥梁设计荷载标准》规定取用;混凝土收缩引起的内力采用降温20K,徐变产生的影响仅计及对温度变化、混凝土收缩引起附加内力的调整作用。计算模型以图纸为依据,根据结构受力特性,拱肋单元归类为空间梁单元,全桥共2300个节点,3950个单元,计算模型见图3。拱肋内力计算考虑系统升温、降温两种情况,荷载组合中计入城—A级荷载效应提高系数。单肢钢管混凝土弦杆强度复核,按CECS28:90《钢管混凝土结构设计与施工规程》进行;桁架钢管混凝土截面按格构柱分析整体承载力;混凝土拱肋强度复核,可按钢筋混凝土大偏心受压构件计算。计算表明:钢管拱肋及混凝土拱肋结构强度验算均满足要求。吊杆外荷载包括桥面系恒载重量、城—A级车辆活载产生的相关效应以及人群荷载效应,以上荷载效应通过横梁按杠杆原理传递到吊杆,吊杆内力强度复核按线弹性理论进行。计算结果表明吊杆强度满足要求。2.2种工况下结构失稳模态全桥结构一类稳定的空间有限元分析采用MIDAS进行,计算模型见图3,分别考虑恒载自重及恒载自重与活载效应组合2种工况。2种工况下结构的失稳模态见图4、图5,稳定系数见表1。有限元计算分析结果表明,在工况一情况下结构最低稳定系数为10.350>4,在工况二情况下结构最低稳定系数为3.259>2,表明结构发生一类失稳的可能性很小。2.3第层微风化砂岩下部基础结构为刚性扩大基础,基础持力层选择在第⑥层微风化砂砾。基础主要考虑结构的抗滑稳定性及地基承载力。抗滑分析假定基底保持水平,暂不考虑阶梯底面的抗推作用。计算结果均满足要求。3桥面系施工阶段主桥上部结构的施工顺序采用:在支架上现浇混凝土拱肋(包括钢管拱桁预埋段)、斜撑和拱肋上立柱及盖梁;平车运输钢管拱脚节段至起吊位置并对称起吊,定位、安装拱肋节段及肋间横梁,直至拱圈合龙;高压泵送拱肋管内混凝土;安装吊杆、起吊安装吊杆横梁、吊装桥面板;现浇桥面板接头、伸缩缝等桥面系施工。整个施工过程可划分为3个阶段:即拱肋安装合龙阶段、吊杆横梁吊装阶段及桥面系施工阶段。在成桥过程中,通过施工监控和成桥后的荷载试验检测,大桥各项技术指标均达到了设计和规范要求。4桥道系的整体性武烈河大桥为城市桥梁,设计不仅满足交通功能,同时还考虑了城市景观的需求,简洁明快,造型典雅协调,达到了艺术和技术的统一。像大多数钢管混凝土拱桥一样,武烈河大桥采用纵铺桥面板的桥道系结构。这种形式的桥道系,结构受力明确,施工方便,然而,