摘要: 西安北環鐵路西閆特大橋主橋為48m鋼管混凝土系桿拱, 結合本橋工程實例, 簡要介紹鋼管混凝土系桿拱的設計與施工。
關鍵詞: 鋼管混凝土系桿拱結構分析
1 前言
鋼管混凝土系桿拱由于其具有建筑高度低, 跨徑大、易于整體拼裝, 正越來越受到人們的青睞, 鋼管混凝土結構充分發揮了混凝土的抗壓能力及鋼材的抗壓、抗拉能力, 主要用于承受軸向壓力的構件。與鋼或混凝土單一材料制成的構件相比, 鋼管混凝土結構可提高結構的強度和剛度。
2 橋型方案介紹
西安北環線為一次雙線貨運鐵路, 西閆特大橋主要為跨越西閆高速公路而設, 西閆高速公路為雙向4車道, 既有路面寬28m, 線路與高速公路斜交10度。立交凈空5.5m。由于受線路坡度及高速公路寬度、凈空的限制, 若采用連續梁或簡支梁, 橋梁建筑高度較高, 必引起橋長加大, 工程投資增大, 而采用系桿拱不但可以有效降低建筑高度, 縮短橋長, 節約投資, 而且線型美觀。故采用48m鋼管混凝土系桿拱橋方案。
3 系桿拱構造
計算跨徑為48m( 橋全長49.2m) , 矢跨比為1/4.248。拱軸線為二次拋物線方程:y=4fx(L- x)/L, 拱橋理論矢高f=11.3m。兩片拱肋之間間距為10.3m。拱肋采用兩根Φ65cm的鋼管形成啞鈴型截面, 高1.5m。兩片拱肋間設5根Φ65cm鋼管橫撐及8根Φ40cm鋼管斜撐。鋼管內灌注C50微膨脹混凝土。系梁為高2.6m, 寬1.04m, 腹板寬0.5m, 翼緣厚0.5m的工字型斷面。吊桿采用55束Φ7mm鍍鋅鋼絲。
4 系桿拱的計算分析
系桿拱屬于外部靜定, 內部為多次超靜定結構。按彈性理論進行分析計算。利用BSAS程序和Sap2000程序進行了平面線性靜力計算、空間線性靜力計算及動力分析, 采用不同的計算模型來計算各階段的內力、應力和變形。計算模型見下圖。
4.1 計算荷載
(1) 結構自重
(2) 列車活載: 采用“中- 活載”
(3) 列車豎向動力作用: 拱圈及系梁計入列車動力作用, 系數按《鐵路橋涵設計基本規范》第4.3.5條規定取值。
(4) 列車橫向搖擺力及制動力。
(5) 混凝土的收縮影響。
(6) 溫度力的影響。
4.2 平面靜力分析
4.2.1 內力計算
平面靜力分析主要采用BSAS軟件進行計算, 不考慮橫梁、橫撐、斜撐的共同作用。由于鋼管混凝土屬于復合材料, 在結構計算中采用等截面、等剛度代換。壓縮和拉伸剛度為: EA=EaAa+EcAc彎曲剛度為: EI=EaIa+EcIc式中, Aa、Ia分別為鋼管橫截面的面積和對其重心軸的慣性矩; Ac、Ic分別為鋼管內混凝土橫截面的面積和對其重心軸的慣性矩; Ea、Ec分別為鋼材和混凝土的彈性模量。
運營狀態下控制截面的彎矩及軸力計算結果見下表:
4.2.2 強度、應力檢算
系梁既承受拱肋傳遞的拉力, 又承受恒載及活載分配的彎矩, 按全預應力混凝土構件計算。根據規范要求, 系梁不出現拉應力, 強度安全系數大于2.0, 抗裂安全系數大于1.2。
拱肋主要承受軸力, 按鋼筋混凝土構件進行強度及應力檢算。在計算中把鋼管混凝土折算成相應的鋼筋混凝土, 沒有考慮鋼管的套箍作用, 沿用鋼筋混凝土結構的設計理論, 使設計簡潔明了。
4.2.3 拱肋穩定性驗算
拱肋的穩定性驗算分為拱平面內穩定和拱平面外穩定。
(1) 拱肋平面內穩定
該項驗算是把拱肋換算為相當長度的壓桿, 按承受最大水平推力的中心受壓桿件進行檢算, 其計算長度Lo按下式計算:
其中: L為拱的跨度; f 為拱的失高; K值按規范中表5.2.13取值。
(2) 拱肋平面外穩定
用橫撐聯系起來的拱肋, 橫向剛度是以整個結構按立體空腹桁架的工作來確定, 用橫撐聯系的肋拱穩定計算是一個比單獨肋拱的計算更為復雜, 采用近似的計算方法, 即將它當做長度等于拱軸長度的平面空腹桁架來分析, 采用拱跨度1/4點處的縱向力作為這個平面桁架的弦桿中的壓力。臨界力按鐵摩辛柯的組合桿件公式計算:
其中: a、h為節間長度及弦桿軸線間的距離; Ip、In為橫撐和弦桿對豎軸的慣性矩; Ia為拱軸線長度。
4.3 空間靜力分析
空間靜力計算采用Sap2000軟件來分析, 橫梁、橫撐、斜撐都簡化為桿系單元, 與系梁和拱肋共同作用,形成一空間整體計算模型。由于列車加載方式以及單線加載時偏載作用, 引起扭矩, 受力相對復雜。且空間計算時, 橫梁、橫撐及斜撐共同參與受力。從本橋計算結果上看, 內力結果相差不大, 這說明, 對于一般中小跨度系桿拱橋, 平面靜力分析結果可以滿足設計要求。
4.4 空間動力分析
利用Sap2000對本橋進行了動力特性分析, 求出前十階自振頻率。
其中第一振型為拱肋面外對稱撓曲振動, 第二振型為橋面系面外對稱撓曲振動, 第三振型為橋面系與拱肋上下撓曲振動, 第四振型為橋面系從以上可看出, 系桿拱的前兩階振型均為拱肋面外振動, 第三階振型才是豎向振動, 所以說系桿拱豎向剛度較大, 根據規范, 簡支梁豎向自振頻率應不小于no( no=23.58*LΦ- 0.592=2.384Hz) 。本橋滿足要求。
5 施工簡介
鋼管混凝土系桿拱的受力同其施工順序密切相關。本橋施工采用先梁后拱法, 即先在支架上澆注系梁和部分橫梁, 使其先形成受力結構, 以它為施工平臺,吊裝拱肋、橫撐、斜撐, 安裝吊桿, 最后安裝剩余橫梁,調整吊桿力, 鋪設橋面工程, 達到成橋狀態。
6 體會
鋼- 混凝土組合梁結構是利用鋼材耐拉、混凝土耐壓而結合成整體并共同工作的一種結構形式。與鋼或混凝土單一材料制成的構件相比, 鋼- 混凝土組合梁結構可提高結構的強度和剛度, 隨著先進的泵送混凝土工藝的應用, 鋼- 混凝土組合結構特別在大跨度橋梁上將會有更大的發展。
參考文獻:
〔1〕陳寶春、李勇鋼- 混凝土組合橋梁設計與應用
〔2〕黃喬橋梁鋼- 混凝土組合結構設計原理
〔3〕鐵路橋涵設計基本規范(TB10002.1- 2005)
