钢管混凝土拱桥吊杆张拉顺序对结构受力的影响

2024-05-15李青

黑龙江交通科技 2024年4期

李青

(湖州市公路与运输管理中心,浙江湖州 313000)

0 引言

城市跨河桥梁较多采用钢管混凝土拱桥,因其通行和跨越能力大、外型优美、造价低廉、工期较短,深受桥梁设计者青睐[1]。钢管混凝土拱桥是一种主要由梁、拱、吊杆、桥面板组成的组合体系桥[2]。钢管混凝土拱肋是在钢管内灌注混凝土形成的一种钢混组合结构,这种独特的组合方式能充分利用钢材与混凝土两种材料的力学性能,极大地改善结构的抗压强度和抗变形能力[3]。吊杆是将钢管混凝土拱桥主梁恒载及桥面活载传递给拱肋的重要受力构件,其张拉质量将直接影响钢管混凝土拱桥的使用安全及服役年限[4]。为保证结构成桥线形和内力满足设计要求,吊杆施工过程中除需严格控制临时支架拆除时机和吊杆张拉力外,还需进行不同吊杆张拉顺序下的结构响应分析,根据计算结果选择较为经济合理的吊杆张拉顺序,确保大桥施工安全[5]。

1 桥梁概况

新建轻纺城大桥跨现状萧绍运河,桥宽41 m。主桥采用下承式钢管混凝土系杆拱结构,计算跨径为140 m,拱轴线形为二次抛物线,矢跨比为1/5。拱肋断面形式为四肢全桁式,横向在机非隔离带位置设置两片拱肋。拱肋高度为3.5 m,宽2.5 m,上下弦杆采用直径100 cm厚度24 mm的直缝焊接管,腹杆和普通上下平联采用直径36 cm厚度14 mm的钢管,吊杆下平联采用直径70 cm厚度18 mm的钢管。拱肋断面由上下弦杆通过腹杆和平联连接组成,钢材采用Q345C钢。纵向四根钢管内灌注C50混凝土,其余均为空钢管。拱肋间设置三道桁架式风撑,风撑弦杆采用直径40 cm厚度16 mm的钢管,腹杆和平联采用直径20 cm厚度10 mm的钢管。系梁为预应力混凝土结构,截面尺寸为高2.8 m,宽2.1 m。预应力钢束采用标准强度为1 860 MPa的高强度低松驰钢绞线。全桥共设28道横梁,其中有两道预应力混凝土端横梁,26道预应力混凝土中横梁。端横梁采用单箱双室截面,高度从两侧2.39 m向中间渐变为2.8 m;中横梁为T形截面,高度从两侧0.85 m向中间渐变为1.9 m。系梁和横梁形成整体格构梁。吊杆纵桥向间距为5 m,横桥向中心距为26 m。吊杆采用151根抗拉强度为1 670 MPa、直径为7 mm规格的高强度镀锌钢丝。吊杆与拱肋采用下平联加劲连接,吊杆与系梁采用预埋耳板连接。吊杆采用梁端锚固、拱端张拉方式。桥面板采用厚度为30 cm的C55补偿收缩混凝土通过吊模现浇,与系梁、中横梁和端横梁形成整体。

主要施工工序如下:(1)下部结构施工;(2)搭设系梁、横梁临时支架,立模,浇筑系梁、横梁混凝土;(3)张拉系梁、横梁预应力;(4)搭设拱肋临时支架,安装拱肋和风撑,灌注钢管拱肋混凝土;(5)拆除拱肋临时支架;(6)吊杆第一次张拉;(7)拆除系梁和横梁临时支架;(8)浇筑桥面板;(9)吊杆二次张拉;(10)桥面系及附属结构施工;(11)吊杆三次张拉。

2 建立有限元模型

轻纺城大桥进行有限元模拟分析时,拱肋、系梁、横梁采用梁单元模拟,桥面板采用板单元模拟,吊杆索采用仅受拉桁架单位模拟。目前钢管混凝土拱肋组合结构模拟方法主要有三种:换算单元模型、双单元模型、整体式模型[6]。其中换算单元模型是指依据刚度等效原则将拱肋混凝土和钢管简化为一种材料,通常直接用混凝土梁单元模拟,该单元的总刚度为钢管和混凝土刚度之和;双单元模型是指分别考虑钢管和混凝土两种材料,拱肋分别建立混凝土梁单元和钢管梁单元,即相同节点间建立两个截面与材料特性完全不同的单元;整体式模型是考虑钢管和混凝土间的套箍效应,等效钢管混凝土组合构件为一种材料,通过生成钢混组合截面建立整体拱肋模型[7]。综合考虑,轻纺城大桥拱肋选取整体式模型。

钢管混凝土拱肋采用施工阶段联合截面法模拟,程序自带的截面生成器和施工阶段联合截面功能相互配合,完美解决了钢结构和填充混凝土联合截面共同受力问题,并且可以定义混凝土的受力阶段,即在管内混凝土强度达到要求以前只模拟空钢管拱肋,管内混凝土强度达到要求以后采用施工阶段联合截面的功能来模拟钢管混凝土拱肋[8]。全桥一个固定支座,一个纵向活动支座,一个横向活动支座,一个双向活动支座,系梁边界条件参照简支梁约束采用一般支承模拟;临时支架采用竖向仅受压节点弹性支承模拟;拱和梁固结、吊杆与拱肋和系梁的连接、桥面板与系梁和横梁的连接均采用弹性连接里的刚性连接模拟。依据经评审的专项施工方案提供的施工步骤图进行施工阶段划分,精细模拟整个施工过程,得出结构在施工阶段和运营阶段的应力、索力和位移数据。施工阶段主要考虑结构自重、预应力、吊杆索力、二期横载;运营阶段主要考虑汽车静活载、混凝土收缩徐变。将全桥离散为2 367个梁单元、52个桁架单位、1 080个板单元、共2 137个节点,有限元计算模型见图1。

图1 主桥midas Civil有限元计算模型

各材料参数均按设计取值,计算参数如下:

(1)拱肋压浆混凝土、横梁采用C50混凝土:重力密度γ=26 kN/m3,弹性模量为Ec=3.25×104MPa。

(2)拱脚、系梁采用C55混凝土:重力密度γ=26 kN/m3,弹性模量为Ec=3.55×104MPa。

(3)沥青混凝土铺装层:重力密度γ=24.0 kN/m3。

(4)钢管拱肋采用Q345C钢材:重力密度γ=78.5 kN/m3,弹性模量为Ec=2.06×105MPa。

(5)预应力筋采用1860钢绞线:重力密度γ=78.5 kN/m3,弹性模量为Ec=1.95×105MPa。

(6)吊杆采用1 670成品钢丝索:重力密度γ=78.5 kN/m3,弹性模量为Ec=2.05×105MPa。

吊杆一次张拉力、二次张拉力、三次张拉力的值见表1。

表1 吊杆索张拉力值单位:kN

3 吊杆索不同张拉顺序下的分析结果

假设吊杆分三种张拉顺序进行模拟计算,得到三组不同工况下拱肋、系梁变形、内力及成桥索力,对比分析结构受力随吊杆张拉顺序改变的变化规律。

(1)由跨中向两端张拉:13#吊杆—12#吊杆—11#吊杆—10#吊杆—9#吊杆—8#吊杆—7#吊杆—6#吊杆—5#吊杆—4#吊杆—3#吊杆—2#吊杆—1#吊杆。

(2)由两端向跨中张拉:1#吊杆—2#吊杆—3#吊杆—4#吊杆—5#吊杆—6#吊杆—7#吊杆—8#吊杆—9#吊杆—10#吊杆—11#吊杆—12#吊杆—13#吊杆。

(3)由两端和跨中向1/4跨张拉:1#、13#吊杆—2#、12#吊杆—3#、11#吊杆—4#、10#吊杆—5#、9#吊杆—6#、8#吊杆—7#吊杆。

3.1 吊杆索不同张拉顺序对结构变形的影响

3.1.1 吊杆索不同张拉顺序对拱肋变形的影响

吊杆索不同张拉顺序下拱肋变形计算结果对比见图2。

图2 吊杆索不同张拉顺序下拱肋变形值对比

由图2可知:当吊杆由跨中向两端张拉时,拱顶位置最大下挠值为19 mm;当吊杆由两端向跨中张拉时,拱顶位置最大下挠值为29 mm;当吊杆由两端和跨中向1/4跨张拉时,拱顶位置最大下挠值为20 mm。计算结果表明:吊杆由跨中向两端张拉工况下的拱肋变形和吊杆由两端和跨中向1/4跨张拉工况下的拱肋变形较为接近,吊杆由两端向跨中张拉下的拱肋变形最大,且显著大于前两种吊杆张拉方案。

3.1.2 吊杆索不同张拉顺序对系梁变形的影响

吊杆索不同张拉顺序下系梁变形计算结果对比见图3。

图3 吊杆索不同张拉顺序下系梁变形值对比

由图3可知:当吊杆由跨中向两端张拉时,系梁跨中位置最大下挠值为98 mm;当吊杆由两端向跨中张拉时,系梁跨中位置最大下挠值为113 mm;当吊杆由两端和跨中向1/4跨张拉时,系梁跨中位置最大下挠值为99 mm。计算结果表明:吊杆由跨中向两端张拉工况下的系梁变形和吊杆由两端和跨中向1/4跨张拉工况下的系梁变形较为接近,吊杆由两端向跨中张拉工况下的系梁变形最大,且显著大于前两种吊杆张拉方案。