三榀拱肋钢管混凝土系杆拱桥结构设计分析

2018-06-19丁自明陈雪峰

江西建材 2018年7期

丁自明，陈雪峰

(1.苏交科集团股份有限公司,江苏南京 210019；2.中铁大桥(南京)桥隧诊治有限公司,江苏南京 210031)

1 工程概况

该项目位于张家港市金港镇境内,北面距长江约2公里,地貌特征为长江三角洲平原。本工程原桥为公路桥,原桥主桥为60m跨下承式钢管砼系杆拱,桥面全宽25m。

因桥位处航道整治,航道等级提升为三级,通航净空为(60×7)m。桥位处河口宽度约为100m,航道中心线与路线中心线夹角为83.5°,为减小跨径,桥梁主桥采用80m跨下承式钢管混凝土系杆拱,于水中设置桥墩。引桥为避开老桥桥墩及跨越现状道路,采用25m部分预应力混凝土组合箱梁。新建桥梁跨径布置为(4×25m)部分预应力混凝土组合箱梁+80m(计算跨径)下承式钢管混凝土系杆拱+(4×25m)部分预应力混凝土组合箱梁,桥梁全长289.68m。设计荷载为公路-Ⅰ级,桥宽30m。

图1 钢管混凝土系杆拱桥效果图

2 桥梁结构设计

2.1 上部结构

主桥上部结构采用下承式钢管混凝土系杆拱,计算跨径80m,设三榀拱肋及系杆。系杆间净距12.25m,横梁悬挑4.5m。主桥拱轴线采用二次抛物线,矢跨比1/5,矢高16m。拱肋采用哑铃型双圆钢管断面,钢管外径Φ90cm,壁厚1.4cm,内充C40微膨胀混凝土；主跨纵桥向共设5道哑铃型双圆钢管断面的风撑,钢管外径60cm,壁厚1.0cm；系杆采用预应力混凝土箱形断面,高2.0m,宽1.5m,顶板、底板和腹板厚均为0.30m,于拱脚处渐变为高3m的矩形断面,系杆内设施工劲性骨架,边拱系杆纵向配置12束13ΦS15.2和4束11ΦS15.2钢铰线,中拱系杆纵向配置2束13ΦS15.2和14束11ΦS15.2钢铰线。中横梁间距4.8m,为预应力砼T形梁,高68.5cm～150cm,肋宽0.5m,全桥共设15道。每片中横梁内配2束7φS15.2和4束5φS15.2钢绞线。端横梁为预应力混凝土箱型梁,梁高108.5cm～190cm,宽230cm,壁厚40cm,全桥共设2道。每片端横梁内配4束9φS15.2和2束5φS15.2钢绞线。吊杆采用PESFD7-73索体,外套管均采用Φ24.5cm钢管,壁厚1cm。吊杆采用LZM吊杆系统,该吊杆系统采用PES(FD)低应力防腐索体[1],具有安全、可靠的抗疲劳性能和防腐性能,便于施工；吊杆间距4.8m,全桥共计45根吊杆。桥面板采用高0.30m的钢筋混凝土空心板,在T梁顶浇筑横桥向0.5m的湿接头形成整体。

引桥采用25m先简支后结构连续的部分预应力组合箱梁,预制箱梁高1.4m,单幅桥横桥向由6片梁组成,桥面横坡由盖梁形成,上设现浇8cmC50水泥混凝土现浇层+10cm沥青混凝土铺装。为了减轻安装重量和增加横向整体性,在各箱之间设横梁,湿接缝连接。每联端部横梁部分与箱梁同时预制,各中间墩顶横梁采用现浇施工。为了满足锚具布置的需要,箱梁端部在箱内侧方向加厚,腹板内预应力钢束除竖向弯曲外,在主梁加厚段尚有平面弯曲。

2.2 下部结构

主桥采用矩形三柱式墩,平面尺寸2.6m×3.0m,墩柱横桥向间距13.75m,承台高2.5m。单个承台下采用双排共4根Φ1.6m钻孔灌注桩。

引桥采用Φ1.4m三柱式墩,Φ1.6m钻孔灌注桩基础,设1.0×1.2m系梁。桥台采用重力式台,下设1.5m厚承台,基础采用10根Φ1.2m钻孔灌注桩。

3 主桥结构计算分析

3.1 模型建立

主桥结构空间静力计算模型采用Midas Civil程序建立三维有限元模型进行计算。各杆件均采用梁单元模拟,按桥梁的实际施工过程进行模拟,对各施工及运营阶段进行总体受力分析,共计采用937个单元,768个节点,计算模型如图2。

图2 主桥三榀拱肋系杆拱计算模型

成桥阶段计算包括恒载、活载、人群荷载、风荷载、温度荷载等工况,按规范进行最不利荷载组合[2][3]。一期恒载主要为拱肋、风撑、系杆、横梁及吊杆结构自重；二期恒载主要考虑桥面板、桥面铺装及栏杆等附属构造等。Q345钢材容重为78.5kN/m3,混凝土容重为26kN/m3。活载、人群荷载、温度梯度分别按照相关规范要求取用[2][4]。主桥体系升降温均为25℃,梁索温差为±8℃；风荷载取百年一遇风速27.1m/s；场地地震动峰值加速度为0.05g,场地抗震烈度为7度。

3.2 计算结果分析

3.2.1 构件的强度和稳定性计算[5]

在持久状况极限状态下,系梁、横梁在荷载基本组合下的截面弯矩及剪力均小于其极限承载能力。

在短期效应荷载组合下正截面抗裂计算中,除拱脚部位外,系梁其他截面均未出现拉应力,满足规范对全预应力构件的要求；中横梁最大拉应力为1.02Mpa、端横梁最大拉应力为0.75Mpa,均小于0.7ftk=1.855Mpa,满足A类预应力砼构件规范要求。

在长期效应荷载组合下正截面抗裂计算中,系梁及中横梁、端横梁均全截面受压,满足规范要求。

在短期效应荷载组合下斜截面主拉应力抗裂计算中,系梁除拱脚部位外最大主拉应力为0.8Mpa,小于0.4ftk=1.06Mpa,中横梁最大主拉应力为1.2Mpa,小于0.7ftk=1.855Mpa,端横梁最大主拉应力为1.03Mpa,小于0.5ftk=1.325Mpa,均满足规范要求。

在短暂状况截面应力计算时,系梁压应力均满足规范要求,最大拉应力除拱脚区域外,满足规范要求。中横梁施工阶段截面上缘最大拉应力为1.44Mpa,下缘最大拉应力1.49Mpa,根据JTG D62-2004规范7.2.8条,纵向钢筋配筋率满足规范要求。在短暂状况下,系杆劲性骨架的最大拉应力小于135Mpa,满足规范要求。

在持久状况截面正应力计算时,在标准组合下,系梁最大压应力为13.9Mpa,横梁最大压应力为13.0Mpa,均小于16.2Mpa,满足规范要求。

在持久状况截面主应力计算时,在标准组合下,系梁最大主压应力为13.9Mpa,横梁最大主压应力为13.0Mpa,均小于19.44Mpa,满足规范要求。

在持久状况拱肋应力计算时,在荷载标准组合下,钢管最大压应力小于210Mpa,拱肋截面设置合理[6]。

根据静力计算结果,施工阶段,吊杆的最大拉力为1481kN,安全系数为3.2；标准组合下,吊杆的最大拉力为1658kN,其安全系数为2.83。两种工况下,安全吊杆安全系数均大于2.5,满足要求。

根据静力计算结果,本桥在活载作用下的最大位移值为21.2mm,小于规范限值L/600,结构刚度满足规范要求。

3.2.2 主桥结构稳定性计算

主桥成桥稳定计算考虑荷载包括自重、二期恒载、预应力、吊杆力、汽车荷载、人群荷载、温度荷载等,并进行失稳模态分析。