鋼管混凝土桁架拱橋橫向偏移時(shí)的穩(wěn)定性分析

胡啟升

(川鐵國(guó)際經(jīng)濟(jì)技術(shù)合作有限公司，四川成都610032)

1 概述

1.1 橋式結(jié)構(gòu)

大橋位于川西的V型河谷地區(qū)，由主橋和引橋兩部分組成，主橋結(jié)構(gòu)形式為中承式鋼管混凝土桁架拱，計(jì)算跨度200m。設(shè)計(jì)荷載:汽－超20級(jí)，掛－120級(jí)，人群3.5 kN/m2;設(shè)計(jì)車(chē)速:40 km/h;地震烈度:7度(按8度設(shè)防)。橋面凈寬24.1m，其中行車(chē)道寬15.0m，橋梁縱、橫坡分別為1%和1.5%。

拱軸線(xiàn)為懸鏈線(xiàn)，拱軸系數(shù)為1.756，矢跨比為1/4.5。拱肋采用桁架式，豎向高度為3.5m，跨度為1.8m，上、下弦桿由兩根直徑為750mm的鋼管，鋼管通過(guò)綴板組成啞鈴形斷面，再通過(guò)豎向腹桿和斜腹桿組成空間桁架結(jié)構(gòu)，拱肋間距17.5m，上下弦管管壁厚度為12mm，綴板厚度為16mm，腹桿均為直徑為351mm、厚10mm的無(wú)縫鋼管，鋼管內(nèi)填充C40微膨脹混凝土;在拱軸與橋面相交段部位的拱肋為實(shí)心截面，其內(nèi)填充C50混凝土;橋面系至拱腳段，為防止鋼管拱肋銹蝕和防止漂浮物撞擊，采用空心箱形結(jié)構(gòu)，外包C50混凝土。為了保證拱肋的橫向穩(wěn)定性，拱肋之間設(shè)置11道風(fēng)撐，其中橋面以上及橋面以下實(shí)心段各設(shè)置7道和2道空鋼管構(gòu)成的桁架梁風(fēng)撐，拱腳以上設(shè)置鋼筋混凝土K撐2處。拱肋采用節(jié)段預(yù)制懸吊拼裝，每肋分七段預(yù)制。安裝從兩岸上、下游拱肋同步對(duì)稱(chēng)進(jìn)行?？展芎淆埡蠓止?jié)段灌注混凝土。吊桿橫梁及立柱橫梁為部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。吊桿為平行高強(qiáng)鋼絲束，外套PE防護(hù)材料。橋式結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示。

1.2 大橋施工及成橋狀態(tài)

該橋在吊裝安裝階段，以吊裝節(jié)段接頭處吊桿中心線(xiàn)測(cè)量，橋軸線(xiàn)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求;灌注混凝土之后，橋軸線(xiàn)偏移最大位移136mm，約為跨度的1/1 600。橋面板吊裝完成之后，測(cè)量結(jié)果基本未發(fā)生變化。三個(gè)月后，經(jīng)檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，下游拱肋仍向上游偏移;上游南岸拱肋也向上游偏移，上游北岸拱肋向下游偏移;南岸上下游拱肋均向上游偏移，且偏位大的均集中在4#～12#吊桿，上游10#偏位106mm，下游8#偏位128mm。測(cè)量橋軸線(xiàn)偏位如圖2所示。

圖1 橋式結(jié)構(gòu)

圖2 拱肋變形(mm)

2 檢算依據(jù)

《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》［1］(JTJ 021－89);《鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》［2］(DL/T 5085－1999);《大橋設(shè)計(jì)施工文件》;《大橋施工及竣工檢測(cè)報(bào)告》。

3 建模及結(jié)構(gòu)分析

3.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算圖示

根據(jù)該橋的橋梁結(jié)構(gòu)特性，采用梁?jiǎn)卧M上、下弦管鋼管混凝土桁架結(jié)構(gòu)和桁架之間的連接系，鋼管拱肋之間綴板采用梁?jiǎn)卧M單位長(zhǎng)度上的綴板剛度作為拱肋之間的連接剛度。鋼管混凝土主桁結(jié)構(gòu)和橋面系結(jié)構(gòu)之間采用桿單元連接。主桁單元和實(shí)腹填充混凝土拱腳之間過(guò)渡點(diǎn)采用剛性連接，將節(jié)點(diǎn)自由度約束一致。全橋共2603個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)1122個(gè)，模型見(jiàn)圖3。

圖3 結(jié)構(gòu)模型

3.2 結(jié)構(gòu)分析

3.2.1 荷載分析

(1)重力:按照結(jié)構(gòu)實(shí)際使用的材料并對(duì)應(yīng)規(guī)范參數(shù)計(jì)算結(jié)構(gòu)重力。

(2)活載:分析過(guò)程中按照全跨滿(mǎn)載和偏載，以及半跨滿(mǎn)載和偏載的活載工況對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行活載加載，而后計(jì)算得到吊桿拉力，換算為吊桿處的節(jié)點(diǎn)荷載?；钶d結(jié)構(gòu)加載圖見(jiàn)圖4～圖7。

圖5 活載偏載滿(mǎn)載加載

圖6 活載正載半載加載

圖7 活載偏載半載加載

(3)風(fēng)荷載:按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》［1］(JTJ021－89)中2.3.8條計(jì)算結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載。按照各個(gè)桿件的實(shí)際截面面積施加為單元均布力。

圖8 風(fēng)荷載加載

3.2.2 工況分析

分析過(guò)程中按照全跨滿(mǎn)載和半跨滿(mǎn)載的活載工況進(jìn)行加載，分考慮風(fēng)荷載時(shí)的穩(wěn)定性和不考慮風(fēng)荷載時(shí)的穩(wěn)定性?xún)纱箢?lèi)計(jì)算。

3.2.2.1 穩(wěn)定分析工況

工況1:結(jié)構(gòu)恒載+汽車(chē)活載(正載，滿(mǎn)載)

工況2:結(jié)構(gòu)恒載+汽車(chē)活載(偏載，滿(mǎn)載)

工況3:結(jié)構(gòu)恒載+汽車(chē)活載(正載，半載)

工況4:結(jié)構(gòu)恒載+汽車(chē)活載(偏載，半載)

工況5:結(jié)構(gòu)恒載+汽車(chē)活載(正載，滿(mǎn)載)+風(fēng)荷載

工況6:結(jié)構(gòu)恒載+汽車(chē)活載(偏載，滿(mǎn)載)+風(fēng)荷載

工況7:結(jié)構(gòu)恒載+汽車(chē)活載(正載，半載)+風(fēng)荷載

工況8:結(jié)構(gòu)恒載+汽車(chē)活載(偏載，半載)+風(fēng)荷載

3.2.2.2 應(yīng)力分析工況

汽車(chē)荷載按照汽－超20影響加載。

工況9:結(jié)構(gòu)恒載+汽車(chē)活載(正載)

工況10:結(jié)構(gòu)恒載+汽車(chē)活載(偏載)

工況11:結(jié)構(gòu)恒載+汽車(chē)活載(正載)+風(fēng)荷載

工況12:結(jié)構(gòu)恒載+汽車(chē)活載(偏載)+風(fēng)荷載

3.2.3 整體穩(wěn)定性分析方法

橋面系以外力形式作用于拱肋，略去其對(duì)拱的結(jié)構(gòu)約束作用;結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性計(jì)算按照考慮了結(jié)構(gòu)初始幾何缺陷(按照實(shí)際測(cè)量結(jié)果對(duì)拱軸線(xiàn)進(jìn)行修正)的二類(lèi)穩(wěn)定方法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何非線(xiàn)性計(jì)算。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性系數(shù)定義為，該工況下結(jié)構(gòu)可變荷載的臨界值和可變荷載加載值的比值。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

表1 整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

4.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

4.2.1 主拱圈應(yīng)力

主桁架采用12mmQ345鋼管混凝土，設(shè)計(jì)彎曲容許應(yīng)力為210MPa，從各個(gè)工況計(jì)算出的應(yīng)力值來(lái)看，主桁架結(jié)構(gòu)鋼管應(yīng)力除變截面點(diǎn)和主桁架和風(fēng)撐結(jié)合位置外，其余各點(diǎn)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。拱腳段外包混凝土應(yīng)力在各個(gè)工況下均為壓應(yīng)力，最大值為－14.1MPa，滿(mǎn)足C50混凝土抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度值要求。

4.2.2 吊桿應(yīng)力

從吊桿計(jì)算應(yīng)力來(lái)看，在正載作用工況時(shí)(工況9和工況11)，吊桿應(yīng)力比較均勻;在偏載和有風(fēng)作用時(shí)(工況10和工況12)吊桿應(yīng)力分布差異性比較大;在同時(shí)有偏載和風(fēng)荷載作用時(shí)(工況12)，為吊桿最不利工況。在此工況下，吊桿應(yīng)力最大值出現(xiàn)在短吊桿處(14#吊桿)，最大值為780MPa，吊桿最小應(yīng)力也出現(xiàn)在此工況下，另一側(cè)短吊桿(14#吊桿)幾乎松弛。此工況也為結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的不利工況，應(yīng)該予以控制。從強(qiáng)度角度來(lái)看，設(shè)計(jì)中吊桿采用φ5高強(qiáng)鋼絲，抗拉極限強(qiáng)度Rby=1670MPa，14#吊桿軸力安全系數(shù)為2.14，其余各吊桿安全系數(shù)均大于2.5，吊桿強(qiáng)度有較大富余，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

5 計(jì)算結(jié)果分析

5.1 動(dòng)力及穩(wěn)定性分析

對(duì)主拱考慮結(jié)構(gòu)初始缺陷的幾何非線(xiàn)性二類(lèi)穩(wěn)定分析，并綜合考慮橋跨結(jié)構(gòu)拱腳的實(shí)腹段和外包混凝土段作用情況下，結(jié)構(gòu)先發(fā)生橫向失穩(wěn)。已發(fā)生的結(jié)構(gòu)變形對(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性影響較小，且結(jié)構(gòu)現(xiàn)在的幾何線(xiàn)形在各種工況下的整體穩(wěn)定性安全系數(shù)最小值為26.1，大于4，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性良好。

5.2 靜力分析

主桁架計(jì)算最小安全系數(shù)為1.5;吊桿計(jì)算最大應(yīng)力為450MPa，安全系數(shù)最小為3.7，大于規(guī)范要求的2.5要求。因此，主桁架、混凝土及吊桿應(yīng)力滿(mǎn)足規(guī)范要求。

由于活載和風(fēng)荷載同時(shí)出現(xiàn)極值的概率非常小，規(guī)范上無(wú)特別明確的組合規(guī)定，故活載和風(fēng)荷載組合計(jì)算結(jié)果僅作為了解結(jié)構(gòu)安全系數(shù)大小的資料，不作為判斷結(jié)構(gòu)是否滿(mǎn)足規(guī)范要求的依據(jù)。

從各個(gè)工況計(jì)算出的應(yīng)力值來(lái)看，考慮風(fēng)荷載時(shí)，主桁架結(jié)構(gòu)鋼管應(yīng)力除變截面點(diǎn)和主桁架和風(fēng)撐結(jié)合位置外，其余各點(diǎn)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。拱腳段外包混凝土應(yīng)力在各個(gè)工跨下均為壓應(yīng)力，最大值為－14.1MPa，滿(mǎn)足C50混凝土抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度值要求。

在橋跨結(jié)構(gòu)承受偏載和風(fēng)荷載時(shí)，結(jié)構(gòu)處于最不利工況，個(gè)別吊桿出現(xiàn)最大拉應(yīng)力780MPa，安全系數(shù)為2.14，其余吊桿安全系數(shù)均大于2.5，吊桿強(qiáng)度有較大富余，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

6 處理措施

6.1 主拱圈

根據(jù)施工監(jiān)測(cè)和加載試驗(yàn)報(bào)告，該橋結(jié)構(gòu)總體豎向剛度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)總體工作基本正常;動(dòng)載試驗(yàn)和空間計(jì)算表明目前全橋動(dòng)力特性及動(dòng)力響應(yīng)正常;靜載試驗(yàn)表明大橋結(jié)構(gòu)目前基本處于彈性工作狀態(tài)，空間靜力計(jì)算表明拱圈仍有較大富裕量。但靜載試驗(yàn)時(shí)，拱肋跨中下弦下緣應(yīng)力實(shí)測(cè)值大于計(jì)算值，可能是跨中段部分鋼管內(nèi)混凝土與鋼管有所脫空，造成該處鋼管混凝土剛度下降，應(yīng)力增加，必須采用特殊裂縫膠進(jìn)行灌注，填充鋼管與混凝土間隙。

6.2 橋面系

對(duì)破損橋面鋪裝進(jìn)行修復(fù)或局部更換，以避免車(chē)輛在橋上跳車(chē)造成對(duì)結(jié)構(gòu)的過(guò)大沖擊;對(duì)伸縮縫內(nèi)雜物進(jìn)行清除，保證伸縮縫正常工作。

6.3 大橋檢測(cè)

對(duì)大橋各部位質(zhì)量狀況進(jìn)行全面檢查，針對(duì)發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，及時(shí)采取修復(fù)、補(bǔ)強(qiáng)和加固措施，保持大橋處于良好使用狀態(tài)。同時(shí)，為了全面掌握主拱圈的線(xiàn)型和橫向變位，在主橋拱肋上布置永久測(cè)量點(diǎn)，并在岸側(cè)建立永久控制測(cè)量網(wǎng)，對(duì)主橋拱肋橫向位移和線(xiàn)型進(jìn)行定期測(cè)量。建立大橋的工作狀況檔案，以便根據(jù)拱肋橫向變形發(fā)展?fàn)顟B(tài)作進(jìn)一步評(píng)價(jià)分析。

6.4 運(yùn)營(yíng)措施

從橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀來(lái)看，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期承受超載和偏載車(chē)輛，部分吊桿長(zhǎng)期處于高應(yīng)力狀態(tài)下，吊桿疲勞斷裂和應(yīng)力銹蝕問(wèn)題不容忽視，應(yīng)整治橋面交通避免超載車(chē)輛通行并禁止超載車(chē)輛長(zhǎng)期滯留橋上。

［1］ JTJ 021－89公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］

［2］ DL/T 5085－1999鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程［S］