钢管混凝土拱桥预拱度的设置方法及影响因素

2010-11-06宫金明

山西建筑 2010年5期

肖锐宫金明

0 引言

近年来,钢管混凝土在拱桥方面已得到广泛使用,现阶段钢管混凝土拱桥的设计仍然沿用以前圬工拱桥的规范方法,无法真实反映拱桥结构中钢管混凝土的特点,JTJ 021-89公路桥涵设计规范[1](以下简称规范)也没有给出具体的计算方法,尤其是在设计拱的预拱度时,圬工拱桥的估算方法更不能替代钢管混凝土拱桥的预拱度。

钢管混凝土拱桥的拱肋是主要承重结构,由钢管内填混凝土做成,拱桥的恒载占全部荷载的比重较大,而且随着跨径的增大,恒载所占的比重还将增大。因此,以恒载压力线作为设计拱轴线,可以认为基本是适宜的。但是,即使仅在恒载作用下,拱肋本身的轴线还将因材料的弹性压缩而变形,致使拱肋的实际压力线与原来设计的拱轴线仍会发生偏离。因此,在拱桥设计时,应考虑在确定设计拱轴线时还要设置施工预拱度。

预拱度设置的大小要根据拱桥在自重及其他荷载作用下的挠度来确定,通过设置预拱度的方法来抵消拱轴在荷载作用下的变形,使拱桥的拱轴线在使用阶段尽量与压力线接近,这样拱肋才能处于好的受力状态,材料才能得到充分的利用。

1 拱轴线的几种偏离形式

在拱桥的施工和运营中,往往会发生拱轴线偏离设计拱轴线的情况,特别是对于已建成运营一段时间的中小跨径钢筋混凝土拱桥,拱顶下沉是普遍存在的问题。总结已有中小跨径拱桥的调查资料,拱轴线偏离设计拱轴线的形式主要有以下几种:

拱桥在施工荷载作用下,早期脱架的悬链线主拱圈挠度曲线呈“M”形变化,即在拱顶产生下挠、两边1/8处上升,所以一般在施工中设置预拱度。但是在施工中没有考虑预拱度或是预拱度设置不足的中小跨径拱桥,一般会存在如图1所示的拱轴线变形情况。

对小跨度拱桥,如果矢跨比较小,在跨中荷载作用下(往往是不利荷载布置),跨中局部下挠,其他部位均匀向下变形,如图1a)所示。如果矢跨比较大或大跨径拱桥在均布荷载或跨中荷载作用下,跨中局部下挠,大约在1/4拱跨(或 3/4拱跨)与1/8拱跨(或7/8拱跨)之间局部向上鼓肚,如图1b)所示。

建成后的拱桥,在恒载作用以及材料的弹性收缩变形下,拱轴线上各点会产生均匀下沉现象。其变形后的拱轴变线形如图2所示,拱桥的这种变形基本上接近二次抛物线分布。

在已建成的现有拱桥中,多数拱桥存在拱脚水平位移。对于超静定无铰拱桥,拱脚位移会在拱内产生很大的附加内力。在拱脚水平位移的情况下,拱轴线也会发生改变,将会偏离原设计拱轴线。偏离后的拱轴线如图3所示。

2 预拱度设置的影响因素

在钢管混凝土拱桥的施工过程中及成桥后,拱肋由于很多因素的影响,将产生弹性变形和非弹性变形,诸如拱架产生的下沉,拱肋达到强度要求而卸落拱架后,拱肋由于承受自重、温度变化及墩台位移等因素影响,也要发生下沉,这些因素将导致拱轴线发生变位,使最终的拱桥拱轴线无法符合设计要求。拱轴线的变化是预拱度大小的设置依据,下面为影响拱轴线变化的主要因素[2-4]:1)由结构重力引起梁或拱肋的弹性挠度,以及1/2的汽车荷载(不计冲击力)引起梁或拱圈的弹性下沉;2)超静定结构由混凝土硬化收缩、徐变及温度变化而引起的下沉;3)承受推力的墩台,由于墩台的水平位移所引起的拱圈下沉;4)砂筒的非弹性引起的拱顶下沉;5)支架基础在受载荷后的非弹性下沉;6)拱式排架在受载荷后弹性和非弹性下沉。

由于影响预拱度设置的因素很多,计算不可能很精确,施工时应根据计算值,结合施工实际进行适当调整。上面所述因素中,第2),3)条对拱桥(或超静定结构)影响较大,第1)条在具体应用时要根据施工方法而定。