双拱肋在铜瓦门大桥中承式拱桥中的应用

双拱肋在铜瓦门大桥中承式拱桥中的应用

1中承式钢管混凝土双肋系跨海桥跨过海设计铜瓦门大桥是浙江省象山县石浦市东门岛与大陆相连的陆路岛连接工程，通过铜瓦门海峡。局部台风频繁，风势巨大。桥下水深超过50m，水面宽度为200m，两岸坡度大，岩石稳定，岩墙裸露。根据两岸交通需要及通航要求,该桥设计标准如下.根据以上自然条件和要求,桥梁设计全长292m,主跨为中承式钢管混凝土X型双肋拱桥一跨过海,跨径238m,矢高49.35m,矢跨比1/4.823;拱轴线为修正的二次抛物线,拱脚标高为11.5m,桥面最大高程为30.35m.吊杆间距10m,孔径布置为2×13m+24×10m(吊杆及撑杆支承)+2×13m=292m(如图1所示).2主拱设计2.1桥面结构的设计钢管混凝土拱桥跨度超过200m时,拱肋一般采用钢管混凝土空间桁肋或钢管混凝土劲性骨架箱肋(如图2所示).此种拱肋的横向抗弯刚度较大,侧向稳定承载力高,但杆件数量繁多,施工较复杂,弦杆、腹杆、平联之间的焊接工作量亦较大,而且拱肋横向较宽,占用较大的桥面有效宽度或加大了横梁的跨度,适于宽桥.铜瓦门大桥主跨238m,桥面宽仅10m,如果采用上述拱肋,则会显得结构繁杂,空间视觉效果差,失去了桥梁美感,而且从经济上考虑也不合理,因此该桥设计采用了较为合理的仅由两根钢管混凝土弦杆和钢管腹杆组成的平面桁架拱肋.根据强度、疲劳及面内稳定计算,弦杆采用ue001φ1150mm×12(14、16)mm(16Mnq)钢管,中心距3.5m,内灌50#混凝土;腹杆采用ue001φ510mm×10mm(16Mnq)钢管.根据受力要求和桥梁总体布置,竖腹杆间距为5m.2.2横向联系设计对于大跨度肋拱桥,横向稳定问题突出.该桥的宽跨比为1/23.8,所处环境风力较大,采用合理的横向连结结构是解决横向稳定问题的关键.该桥为中承式拱桥,采用X型双肋拱要比平行双肋拱具有明显的优势,为此两拱肋设计为内倾形成17°夹角,拱脚相距17.456m,拱顶中心线处相距2.703m.这样,加大了拱脚的横向距离,拱顶部分的横向联系长度缩短,刚度增大,既节省了材料,又减小了结构自重而提高了整体稳定性.拱肋的横向稳定主要由横向联系来保证,特别是该桥采用平面桁架拱肋,其横向抗弯刚度较小,因此该桥的横向联系布置显得尤为重要.考虑到既要保证拱肋的局部和整体稳定性,又不能因过多、复杂的横向联系使结构显得繁杂而令人压抑,经计算分析和综合比较,该桥横向联系设计如下:(1)桥面以下拱肋之间设两处由平面桁架组成的K字形连接系;(2)桥面行车净空以上每10m设置单片平面桁架为横撑连接两拱肋,共17处,仅在靠下两端的9#横撑(拱顶处为1#横撑)处增加斜撑并形成K字形连接系;(3)在主梁与拱肋相交处设一高度为2m的工字形钢板梁与拱肋相连,并作为支撑桥面的横梁.其中,桁架横撑的弦杆为ue001φ900mm×10mm(16Mnq)钢管,腹杆为ue001φ360mm×8mm(16Mnq)钢管.3心柱锚索吊杆安装采用间距10m吊杆吊起预制的部分预应力混凝土横梁,在横梁上安装预制钢筋混凝土空心板.焊接桥面板、横梁的预留钢筋后,浇注混凝土接缝,最后浇10cm厚整体混凝土铺装,使桥面板与横梁连成整体共同受力.其中空心板厚度为65cm,横梁为矩形空心截面,高1.6m,宽60cm.吊杆为37根ue001φ7mm高强钢丝,外层包热挤压PE护套防护,两端为冷铸锚.吊杆一端吊于拱肋顶,一端锚在横梁底,与拱肋在同一平面内.4全球稳定分析4.1结构模型分析目前进行拱桥整体稳定分析常采用以下两种计算模型:一种为只把拱肋弦杆、腹杆、横向联系生成空间梁单元,而桥面板、吊杆等不加入计算模型(如图3),桥面等自重和活载作为集中力加在吊杆与拱肋的连接处;另一种模型是在前一种模型的基础上,将桥面、吊杆等均作为梁单元加入模型(如图4).显然第二种模型更能真实地反映结构,因为吊杆和桥面对拱肋变形有约束作用,提高了拱肋的面内和面外稳定性.吊杆非保向力作用的大小与桥面的刚度有关,对于桥面相对拱肋刚度较大的体系,可使稳定安全系数提高1倍以上.以本桥为例,在相同的工况下,采用如图3、4所示的两种模型进行的稳定分析,模型I的稳定安全系数λ=3.41,而模型Ⅱ的λ=4.10,后者比前者的λ提高了20%.特别指出的是桥面和吊杆的约束作用使得失稳模态由反对称变为对称.计算模型中,拱肋弦杆单元的截面特性采用钢管和混凝土的换算截面特性,其余构件单元的截面特性均按实际取值.4.2心荷载+风荷载+车载偏心加载+汽车半桥结构稳定分析按照本桥拱肋施工程序,施工阶段拱肋稳定性满足要求,本文只考虑成桥后运营阶段拱的稳定性.稳定分析按以下7种可能的不利工况进行:①恒载+风荷载②恒载+风荷载+二列汽车全桥满布(偏心)+全桥满布人群③恒载+风荷载+二列汽车半桥满布(偏心)+半桥满布人群④恒载+风荷载+一列汽车全桥满布(偏心)+全桥单侧满布人群⑤恒载+风荷载+一列汽车半桥满布(偏心)+半桥单侧满布人群⑥恒载+风荷载+挂车跨中偏心加载⑦恒载+风荷载+挂车1/4跨处偏心加载其中,基本风压为1200Pa,拱肋弦杆、腹杆、桥面均承受相应的风荷载.二列汽车偏心距为0.55m,一列汽车偏心距为2.10m,挂车偏心距为1.15m,偏心荷载等效为竖向荷载和扭矩,作用于桥面梁单元上.对①～⑦工况进行稳定分析,得到如表1所列的稳定安全系数及图5所示模型Ⅲ的失稳模态,所有模态均为反对称面外失稳.该桥的稳定安全系数为5.76～6.21,满足拱桥横向稳定安全系数大于4～5的要求.4.3拱肋失稳模态及刚度为了进一步研究横向联系布置的合理性,把模型Ⅲ中9#横撑处的斜撑去掉得到模型Ⅱ,在其他横撑处增加6组K字斜撑得到模型Ⅳ,计算它们在工况①的稳定性.得到模型Ⅱ的稳定安全系数为4.10,失稳模态为正对称形式(图4);模型Ⅳ的稳定系数为8.22,失稳模态为正对称形式(图6).可见增加斜撑可以明显提高拱的稳定性.从模型Ⅱ的失稳模态可以看出,9#横撑变形较大,其附近的两肢拱肋也比拱顶处变形大,说明该处的横向联系相对较弱,从而影响了整个结构的抗侧倾能力.在模型Ⅱ上加入9#斜撑后(即模型Ⅲ),明显减小了该处附近拱肋的变形,使得1/4跨度附近的拱肋变得相对较弱.此模型的失稳模态与模型Ⅱ不同,为反对称形式,且提高了一阶,显然其稳定安全系数要高,为模型Ⅱ的1.51倍.模型Ⅱ和模型Ⅲ的失稳模态显示跨中变形相对小一些,说明该处的横向联系较强,原因是该处拱肋间距较两端小得多,横撑弦杆和腹杆采用相同直径钢管,则其刚度要大得多.因此,从失稳模态可知,横撑本身的刚度太小,不能保证两肢拱肋共同变形,即此时的失稳是因局部变形过大而引起的.为此,在横撑之间间隔加入6组斜撑,即模型Ⅳ所示,得到其稳定安全系数为8.22,较模型Ⅱ提高了2倍.从失稳模态可以看出,拱肋失稳时两肢拱肋基本是共同变形,因此失稳主要是由两肢拱肋作为整体的侧向抗弯能力决定的.由跨中变形较大可以看出,这时如再加强横向联系的布置,已不能显著提高其整体稳定性了,这可以通过模型Ⅴ(全部横撑均设斜撑)的稳定计算予以证明,其稳定安全系数λ=9.10,仅比模型Ⅳ提高了11%,其失稳模态(图7)更明显地暴露了最终决定该桥稳定性的两个区域,即受行车净空控制而不能设横向联系处和拱顶过窄处,在两者之间失稳变形近似直线.因此,此时若想再提高侧向稳定承载力,只有加大拱肋间距.5结构稳定性分析(1)该桥从经济、美观等方面考虑大胆采用了平面桁架拱肋,并通过合理的横向联系布置使该桥稳定安全系数达到5.76～6.21,满足拱桥的稳定安全系数4～5的设计要求.如果想再提高其安全系数,可以通过增加横向联系达到.但该桥的横撑布置已充分发挥了该布置形式(间距与倾角)拱肋的稳定能力,这可从其失稳模态中的各处变形比较均匀看出.(2)类似于该桥的跨度大、宽度窄的拱桥,其侧向稳定虽然可以通过合理布置横向联系达到要求,但其稳定系数最高值却受到拱肋整体布置的限制.(3)X型双肋拱虽然比平行双肋拱更稳定,但拱顶间距过小反而会降低整体稳定性,因此应采用合理的倾斜角度以达到最佳的稳定性.该桥若要达到更高稳定安全系数,需调整两拱肋的倾角.(4)整体稳定性分析应采用全桥模型,计及各种结构和约束对稳定的影响,特别是吊