下承式拱梁组合桥结构静力性能研究

冉磊

摘要：以西安市东长安街桥为例，采用SAP2000有限元程序，对下承式拱梁组合桥的进行了静力特性收缩徐变分析以及预应力的影响，得出如下结论：随着施工阶段的推移，收缩徐变使得钢管拱截面压应力变化逐渐增大;另外预应力对桥的挠度影响很大，施加预应力后，跨中截面向上拱起，它对桥梁的预拱度贡献很大。

关键词：钢管混凝土;有限元方法;结构性能;收缩徐变;预应力

Research on the Structural Performance of Half-through Arch Beams Combined System Bridge

Ran  Lei

随着国家经济的快速发展，我国的桥梁事业也得到了迅猛的发展。拱桥是一种理想的能充分发挥材料受压性能的桥型。以往由于大跨度拱桥施工所需拱架费用极高，因而限制了大跨度拱桥的发展;同时由于大跨度拱桥产生的水平推力极大，所以往往作为跨越山涧峡谷的桥型，依赖山体来承受拱推力。随着钢管混凝土结构的出现，解决了大跨度拱桥所需拱架问题，使国内大跨度拱桥的兴建日益增多。据不完全统计，从1990年到1994年间，已建和在建的钢管混凝土拱桥达20多座，到1997年达40多座，到1998年则已达到60多座，到2000年已达到120多座，其发展速度之快，为中外建桥史所罕见。

钢管混凝土结构是将混凝土灌注钢管内而形成的一种组合结构。它的基本原理是利用钢管对混凝土的紧箍作用，使得混凝土处于三向受压状态，从而使核心混凝土具有更高的抗压承载力和塑性变形能力。

充分显示了钢管混凝土拱桥的生命力。基于这样的背景，本文以西安航天西路跨东长安街桥（下承式拱梁组合桥）为研究对象，利用有限元分析软件SAP2000建立全桥空间模型对其进行力学性能分析，对大跨径钢管混凝土拱桥的几个问题进行研究分析，所得结果可对该类拱桥的设计提供参考。

1 工程概况

航天西路长安街桥位于西安市长安区航天西路与东长安街交汇处，航天西路上跨长安街桥。桥梁按斜角正做设计，全桥跨径布置为15m+60m+15m三跨下承式组合体系钢桁架拱桥，全长94.2m。上弦杆（矢高13.5米，计算跨径90米）矢跨比f=1/6.52，下弦杆（矢高12米，计算跨径60米）矢跨比f=1/5。主拱上、下弦杆均采用1000×14㎜钢管卷制，钢材料为Q345D，管内灌注C50自密微膨胀混凝土;腹杆采用Ф500×14㎜、Ф500×10㎜ 的钢管;横撑为Ф600×10㎜、Ф300×12㎜钢管，钢材料为Q345D。系杆采用C50混凝土刚性变截面加劲系梁，断面尺寸在桥墩处为2.0×2.5m，在拱跨吊杆间为2.0×1.8m，在每片系梁内布置12束预应力钢束，两端对称张拉。横梁采用C50预应力混凝土现浇箱梁，与加劲系杆实现刚接，吊杆处横梁为箱型断面，宽1.2m，高1.2～1.32m，每道横梁内设4束预应力钢束;桥墩处横梁为箱型断面，宽3.5m，高1.96～2.08m，每道横梁内设6束预应力钢束;桥台处端横梁为组合箱型断面，宽2.5m，高1.2～1.32m，每道横梁内设7束预应力钢束。吊杆拉索采用PESFD7—91、PESFD7—109镀锌平行高强钢丝束，主孔配置11对吊杆，间距5.0m，拱肋上弦管为锚固端，横梁底部为张拉端，设计考虑分两次张拉。桥面板采用C50混凝土二次现浇，板厚为0.28米。桥墩采用2.0×3.0米的矩形桥墩。图1为航天西路长安街桥。

2 有限元模型

全桥采用空间有限元程序SAP2000进行建模分析。钢管拱拱肋采用梁单元钢-混凝土组合截面，腹杆、风撑采用梁单元钢管截面，系杆、横梁采用梁单元混凝土截面，吊杆采用只受拉索单元，桥面板采用梁格法建模。

本文在SAP2000建立有限元模型时，采用等效法的换算截面法来模拟钢管混凝土拱肋，将钢管的面积按抗压刚度等效的原则换算成混凝土面积;预应力筋模拟成单元以考虑弹性缩短或时间延迟影响所带来的预应力损失，比较有效地模拟了实际工程中预应力钢筋的预应力损失问题。图2为SAP2000全桥计算模型。

3 静力计算分析

由于施工工程对结构分析有着很重要的影响，对此将航天西路长安街桥工况计算划分为以下步骤。浇筑桥墩、桥台并搭建临时支架，系杆、横梁施工，张拉系杆1、2号预应力钢束，对称拼装拱脚处拱肋，对称拼装拱脚至1/3拱肋，搭设拱肋拼装支架，对称拼装2/3段拱肋，搭设拱肋拼装支架，拼装中间段拱肋，搭设拱肋拼装支架，张拉系预应力钢束，张拉各横梁预应力钢束，拆除拱肋支架，对称灌注下、上拱圈钢管微膨胀混凝土、浇筑桥面板混凝土、施加桥面板荷载、安装吊杆并初次张拉、拆除满堂支架、施加二期恒载、调整吊桿张拉力至目标索力、成桥一个月、成桥一年。

3.1凝土收缩和徐变对桥的内力影响

通过模拟分析上、下拱圈不考虑混凝土收缩徐变和考虑收缩徐变钢管应力变化。灌注拱圈混凝土开始于第11阶段对称灌注下拱圈钢管微膨胀混凝土，以施工阶段的编号为横向坐标，以其随施工阶段变化的考虑收缩徐变的应力和未考虑收缩徐变的应力为纵向坐标，作图3、4如下：

由结果可以看出，随着施工阶段的推移，钢管应力变化逐渐增大，收缩徐变使得钢管拱截面压应力有增大的趋势。另外对吊杆的竖向位移影响也不小，影响最大的跨中吊杆的吊点位移由原来的向下1.16cm增加到1.34cm，增大了15%（作图5所示），对本桥梁结构的影响比较大，在设计过程中应予以重视。

3.2预应力对桥的内力影响

对于预应力下承式拱梁组合桥，预应力的施加，使得内支座区域处于受拉的混凝土板预先受压，改善了结构性能。本工程系梁和横梁都设有预应力钢束，图6给出了预应力张拉前后系梁挠度变化曲线，可以看出，施加预应力后，跨中截面向上拱起，向上拱起了6mm。由此可以得出预应力作用明显提高了正弯矩区的承载力和负弯矩区混凝土板的开裂荷载，延缓了裂缝的出现，所以全桥施加预应力是很有必要的。

4 结语

从以上计算分析可以得出以下结论：

1）随着施工阶段的推移，钢管应力变化逐渐增大，收缩徐变使得钢管拱截面压应力有增大的趋势。另外对吊杆的竖向位移影响也不小，影响最大的跨中吊杆的吊点位移由原来的向下1.16cm增加到1.34cm，增大了15%。同时，在拆除满堂支架时拱肋应力增加了10%之多。混凝土收缩徐变对本桥梁结构的影响比较大，在设计过程中应予以重视。

2）预应力对下承式拱梁组合桥的挠度影响很大，施加预应力后，跨中截面向上拱起了6mm，它对桥梁的预拱度贡献很大。预应力的施加使墩顶处的桥面板产生了有效的预压应力，在跨中产生了预拉应力;同时，在跨中也产生了明显的上拱，这一点正好与桥梁竖向荷载作用的效应是相反的，由此可以得出预应力作用明显提高了正弯矩区的承载力和负弯矩区混凝土板的开裂荷载，延缓了裂缝的出现。

参考文献：

[1] 陈宝春.钢管混凝土拱桥发展概述.桥梁建设.1997，27（2）：8一13

[2] 张旭.曲线钢—混凝土连续组合梁桥结构性能研究[D]，西安：长安大学，2008

[3] 罗云.崔剑峰.李勇.大跨度钢管混凝土拱桥空间有限元分析[J].市政技术.2008，06：498-500。

（作者单位：1.陕西建工第二建设集团有限公司）