大跨劲性骨架拱桥整体稳定性分析及设计技术

2023-09-05张晓宇李芳园蔡柱冰

西部交通科技 2023年5期

赵艳,张晓宇,李芳园,蔡柱冰

(广西交通设计集团有限公司,广西南宁 530029)

0 引言

在我国西南部地区,劲性骨架混凝土拱桥以其刚度大、耐久性好、成本较低的优势,成为超大跨度桥梁选型的重要方向[1-3]。劲性骨架混凝土拱桥施工过程的受力分析,是此类桥梁设计的重点,特别是施工过程中结构的整体稳定性特征。

劲性骨架混凝土拱桥的常用施工方法是:通过斜拉扣挂系统架设劲性骨架拱肋节段并合龙;以劲性骨架拱圈作为施工平台,搭设模板,架立钢筋,浇筑外包混凝土直至混凝土拱肋成形。由于受力和施工条件限制,外包混凝土浇筑很难一次性完成,一般采用分环分段方式施工。因此,对于拱肋而言,拱圈截面和恒载是分阶段逐步形成的,结构刚度也是逐步提高。结构稳定性是结构刚度和荷载的综合指标,若拱圈荷载大于结构刚度,稳定性将会减弱,结构会因未充分发挥材料强度而发生屈曲破坏,工程设计人员应避免这种情况的发生。

1 施工过程整体稳定性特征

本文以某600 m跨径劲性骨架混凝土拱桥作为背景,讨论稳定性特点及设计方法。该拱桥跨径为600 m,由两条拱肋和肋间箱型横联构成,单条拱肋的劲性骨架为四管桁式构造,弦管为钢管混凝土截面。初步设计拱肋弦管横向中心距为5.2 m,肋间净距为10 m。弦管直径为1 m,壁厚为30～35 mm,腹杆型号为4 L(160 mm×100 mm×16 mm),平联杆型号为4 L(110 mm×110 mm×14 mm),仅在拱上立柱与拱肋相交处设置肋间箱型横联。外包混凝土分三环八工作面浇筑,每个工作面分为6～7段。随着外包混凝土施工过程,拱肋截面变化如图1所示。

图1 劲性骨架混凝土拱及分环分段示意图(mm)

采用Midas软件建模分析,劲性骨架弦管、腹杆、平联杆等采用梁单元模拟,外包混凝土采用板单元模拟。如图2所示。

图2 Midas计算模型图

2 整体稳定性特点

该600 m劲性骨架混凝土拱桥在外包过程中,结构的整体稳定性安全系数变化曲线如图3所示。

图3 外包混凝土施工过程整体稳定性安全系数变化曲线图

从图3可以看出,在底板环浇筑阶段,拱肋荷载的增加与拱肋刚度的增加在稳定性问题上基本持平。这是因为底板混凝土方量相对较小,且对于截面而言,仅底板与下弦管部分刚度增强,对整个截面的刚度提高而言亦不显著。底板第一段浇筑时,之所以整体稳定性明显增大,是因为浇筑时包含有底板第一段范围的横联底板,使得肋间横联刚度提高,进一步提高了拱肋整体横向刚度。

在腹板环浇筑阶段,拱肋刚度增加渐渐快于拱肋荷载的增加,整体稳定性逐渐提高。拱肋箱型截面的腹板混凝土浇筑方量往往是三环浇筑中最多的;同时,浇筑腹板使拱肋截面由接近桁式结构的劲性骨架截面,转变成混凝土U形截面,表示在腹板环浇筑过程中,拱肋的荷载和截面刚度都在快速增大。从结果上看,形成U形混凝土截面提高刚度的效果更为显著。

在顶板环浇筑时,整体稳定性增加迅速。这是由于顶板环混凝土较少,截面从混凝土U形断面向闭合的箱型断面转变,截面刚度提高较大,特别是肋间横联也形成闭合断面,使拱肋面外刚度达到最大。

如图4、图5所示,计算表明,除最后一个外包混凝土施工阶段,即顶板第6段浇筑时,第一阶失稳模态为竖向反对称弯曲外,其他施工阶段皆为横向对称弯曲。对于大跨拱桥来说,在面内竖向,由于具有拱形结构受力特点,使得弯曲刚度增大;在面外横向,虽然有肋间横联的作用,使得横向弯曲截面增高,但横联骨架仍然较弱,相对于面内竖向的弯曲刚度明显不足。所以,在外包混凝土浇筑过程中,以面外横向弯曲失稳为主导。

图4 劲性骨架合龙阶段第一阶整体失稳模态云图

图5 顶板环第6段浇筑阶段第一阶整体失稳模态云图

3 提高整体稳定性的构造措施

3.1 基本尺寸

基本尺寸是指拱肋的拱肋截面宽度、拱肋间净距等。

(1)增加拱肋宽度,可以在一定程度提高拱肋横向弯曲刚度。虽然会同时增加顶底板混凝土方量,但由于顶底板是分环浇筑,因此荷载的增加相对较小。此方法对提高整体稳定性有一定的帮助。

(2)增加拱肋净距,实质是增加拱圈横向抗弯高度,比增加拱肋宽度更为直接,并且增加拱肋净距仅会增大拱肋间横撑的浇筑方量,比增加拱肋所需的方量较少。但拱肋净距还受上部结构的客观约束,具体需要考虑主梁宽度、盖梁和墩柱受力。拱肋净距加大会使立柱间距加大,进而使双柱式盖梁的净跨增大,不利于结构受力。

拟定两种加强措施:(1)保持肋间净距不变的情况下,加宽两条拱肋各1 m;(2)仅加宽肋间净距2 m。计算结果如图6所示,可以看到,增加拱肋宽度可以在底板环及顶板环浇筑时较明显地提高结构整体稳定性,而在腹板环浇筑时提高相对较少。增加肋间净距,亦对结构稳定性有所提高,但效果弱于增加拱肋宽度的措施。

图6 拱肋基本尺寸增大对施工整体稳定性的影响对比曲线图

3.2 构件设计

构件主要指劲性骨架弦管、腹杆与平联杆。由于劲性骨架为桁式构件,因此增加弦管的直径或壁厚,对结构整体稳定性的影响较小。

劲性骨架的腹杆一般为型钢或型钢组合构件。腹杆在拱肋竖平面,对于横向弯曲而言即为“顶底板”位置。由于腹杆的面积较小,型号增大有限,其型号的变化对整体稳定性的影响有限。

劲性骨架平联杆大多为型钢或型钢组合构件。与腹杆不同的是,拱肋宽度比拱肋高度小,平联杆的面积增加对拱肋截面框架效应贡献较大。因此,其对整体稳定性的影响也会相应扩大。

拟定三种拱肋构件优化的措施,在不考虑外包混凝土增加的前提下:(1)弦管直径增大为1 m;(2)腹杆型号增加为4 L(180 mm×110 mm×16 mm);(3)平联杆型号增加为4 L(140 mm×140 mm×14 mm)。施工过程整体稳定性的影响情况如图7所示。

图7 杆件型号优化对施工整体稳定性的影响对比曲线图

如图7所示,弦管增大对外包混凝土施工过程的稳定性优化效果不佳,甚至削弱了结构稳定性;腹杆增强虽然可提高底板环与腹板环的施工稳定性,但在施工后期也会造成稳定性下降;平联杆加强可使外包混凝土施工过程中的结构稳定性明显提高,尤其是在腹板环浇筑时。

增大弦管、腹杆与平联杆腹杆的尺寸,都可能增厚顶底板或腹板,这样会削弱提高整体稳定性措施的作用,甚至产生反效果。另外,增大骨架杆件的面积,也会增加拱肋节段吊装时的重量,需要匹配更强劲的吊装系统,在一定程度上也增加了施工成本。

3.3 结构设计

在结构层面上,增加肋间横撑刚度与数量,是提高施工过程整体稳定性的有效措施。肋间横撑根据作用周期与材质,可分为永久混凝土横撑、临时钢结构横撑以及永久钢结构横撑。

(1)永久混凝土横撑。永久混凝土横撑常用的有两种:①箱型横撑,对于上承式拱桥,往往设置在有拱上立柱的拱肋处;②Ⅰ型横撑,一般设置于两道箱型横撑间。永久混凝土横撑由于外包混凝土的刚度较大,因此可提高施工过程的整体稳定性。但其不利之处也较为突出:拱肋间较多的横撑,会影响拱桥空间美感,拱肋横撑的施工难度较大,过多的肋间横撑会增加模板工程和施工平台的复杂性和施工周期。

(2)永久钢结构横撑。钢结构横撑是采用钢管、型钢或钢管混凝土构件,建立拱肋间联系的构件。根据构件设计形式可以分为“Ⅰ”字撑、“K”撑、“X”撑。根据设置位置一般可分为上弦管平面、下弦管平面或连接上下弦平面的桁式结构。钢结构横撑相对于混凝土横撑,施工更为便捷,一般是在劲性骨架架设过程中吊装钢结构横撑。其可以充分发挥构件刚度,不会在成桥后产生过多安全冗余。但钢结构横撑的不利之处是:在钢结构与拱肋外包混凝土接头位置会出现钢混交界面,在拱肋变形和长期环境变换过程中,会产生脱空、裂缝,发生渗水腐蚀钢筋与钢管,不利于结构的耐久性;其接头部分较多,会影响拱肋内侧模板工程模块化,不利于支模,降低施工进度;由于钢结构横撑往往是细长杆件,其在轴压力作用下的局部稳定性较小,因此需要采用桁式构造,但这样会使得拱肋整体外观繁杂、不简洁。

如图8所示,钢结构横撑的效果强于混凝土横撑,上弦管平面横撑强于下弦管平面横撑,X形横撑效果强于Ⅰ形及K形横撑。

图8 不同肋间横撑形式对施工整体稳定性的影响对比曲线图

(3)临时钢结构横撑,是指根据结构整体稳定性特征,在拱肋有效位置布置钢结构杆件,并在结构整体稳定性足够时拆除。根据前述,可以在架设拱肋劲性骨架时,安装横撑钢结构,在腹板环浇筑后的一段时间内再拆除。这样既可以加强拱肋整体稳定性,又能避免钢结构横撑与外包混凝土接头等问题。但上弦管是最后一环包裹混凝土,到顶板环浇筑时,其应力往往较大。根据前述,较为有效的横撑形式是选用上弦管平面的X撑,但这种情况下,横撑杆件与拱肋横向会有显著倾角,因而会分担拱肋轴向受力,且随着外包施工的进行,受力会逐渐增大。因此,横撑采用火焰切割时,应采取保护措施避免损伤主弦管母材。同时,在不影响拱肋钢筋布设及混凝土密实情况下,尽可能保留长的切割余量。拆除时需要做好主拱横撑拆除制定专项施工方案,以确保主桥结构安全及施工安全。