夜郎湖大橋勁性骨架腹桿構(gòu)造形式優(yōu)化研究

鄒鵬輝，謝長洲

(重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074)

夜郎湖大橋勁性骨架腹桿構(gòu)造形式優(yōu)化研究

鄒鵬輝，謝長洲

(重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074)

腹桿構(gòu)造形式對勁性骨架自身受壓穩(wěn)定性及懸澆段與勁性骨架接頭受力行為影響顯著。貴州夜郎湖大橋擬采用懸臂澆筑與勁性骨架組合法施工，文章依托該工程實例，針對4種較合理的勁性骨架腹桿構(gòu)造形式，從勁性骨架腹桿受壓穩(wěn)定性及懸澆段與勁性骨架接頭受力行為兩方面對腹桿構(gòu)造形式進行了優(yōu)化分析。

組合施工法；勁性骨架；接頭；腹桿；優(yōu)化研究

0 引言

近年來國內(nèi)采用懸臂澆筑法陸續(xù)建成了四川白沙溝1號大橋(150 m，2008年)、攀枝花新密地大橋(182 m，2013年)、貴州木蓬大橋(165 m，2013年)。國內(nèi)外研究表明，隨著拱橋跨度的增大，懸掛拱圈節(jié)段的扣索力呈級數(shù)倍增。采用懸臂澆筑與勁性骨架相結(jié)合的施工方法，即拱腳區(qū)段采用掛籃懸臂澆筑法施工、跨中區(qū)段先用勁性骨架合龍成拱，再澆筑外包混凝土，不但可以縮短拱圈懸臂澆筑段長度，降低對扣錨系統(tǒng)的要求，而且可以盡快實現(xiàn)拱圈合龍，減少施工風(fēng)險，縮短建設(shè)工期。

貴州夜郎湖大橋擬采用懸臂澆筑與勁性骨架組合法施工，勁性骨架腹桿構(gòu)造形式對自身受壓穩(wěn)定性及懸澆段與勁性骨架接頭受力行為影響顯著。本文開展了勁性骨架腹桿構(gòu)造形式的研究，既可以指導(dǎo)依托工程的設(shè)計和施工，也可以為類似工程提供借鑒資料。

1 工程概況

貴州夜郎湖大橋是一座凈跨210 m、凈矢高42 m、拱軸系數(shù)m=1.677的鋼筋混凝土拱橋(見圖1)。主拱圈采用單箱單室截面，高3.5m，寬7.0m，頂?shù)装搴?0cm，腹板厚50cm，C50混凝土。勁性骨架弦桿采用熱軋H型鋼HW400×408×21×21，腹桿、平聯(lián)采用4片L75×10角鋼組成。勁性骨架上、下弦桿埋入拱箱混凝土長2.5m。

夜郎湖大橋自拱腳兩側(cè)各91m跨度范圍內(nèi)采用懸臂澆筑法施工，跨中勁性骨架段長28m。先架設(shè)勁性骨架合龍成拱，再澆筑外包混凝土。

圖1 夜郎湖大橋勁性骨架 架設(shè)完成階段示意圖

2 原設(shè)計勁性骨架腹桿構(gòu)造需優(yōu)化的緣由

夜郎湖大橋原設(shè)計勁性骨架腹桿構(gòu)造形式如圖2～3所示。

圖2 夜郎湖大橋原設(shè)計勁性骨架立面圖(單位：mm)

圖3 夜郎湖大橋原設(shè)計勁性骨架平面圖(單位：mm)

采用懸臂澆筑與勁性骨架組合法施工的拱橋，主拱圈懸臂澆筑段與勁性骨架接頭處受力復(fù)雜，是設(shè)計的關(guān)鍵部位，需進行精細化受力分析。依據(jù)接頭精細化實體模型計算結(jié)果，上、下弦桿均承受10t向下的剪力作用(單根弦桿在各施工階段所受最大剪力約為10t)。上弦桿錨固點處接頭混凝土為壓應(yīng)力，下弦桿錨固點處接頭混凝土為拉應(yīng)力，因此，接頭下弦桿錨固點在較小的剪力作用下可能會導(dǎo)致接頭混凝土局部崩裂，而接頭上弦桿錨固點不存在接頭混凝土受剪局部崩裂的問題。

此外，通過對夜郎湖大橋(原設(shè)計勁性骨架)進行施工階段穩(wěn)定性分析(勁性骨架段外包混凝土底板+1/2腹板澆筑階段，以該階段外包混凝土底板+1/2腹板濕重為基本荷載)，發(fā)現(xiàn)前幾階失穩(wěn)均為勁性骨架腹桿失穩(wěn)，且均為斜腹桿(壓桿)失穩(wěn)，可知斜腹桿(壓桿)是施工過程中最易發(fā)生失穩(wěn)的部位。第1階屈曲模態(tài)圖見圖4，臨界荷載系數(shù)為5.316>4(第2階屈曲模態(tài)為對稱位置的腹桿屈曲，屈曲荷載系數(shù)5.326，因是數(shù)值分析結(jié)果，視為與第1階屈曲荷載系數(shù)相同)，雖然原設(shè)計勁性骨架腹桿構(gòu)造滿足規(guī)范規(guī)定的施工階段穩(wěn)定性要求，但由于施工階段荷載的不確定性，為進一步確保施工階段安全，可改善腹桿構(gòu)造以進一步提高勁性骨架的穩(wěn)定系數(shù)，從而提高全橋整體在施工過程中的穩(wěn)定性。

圖4 外包混凝土底板+1/2腹板澆筑階段 第1階屈曲模態(tài)圖(原設(shè)計勁性骨架)

因此，本文從懸澆段與勁性骨架接頭受力行為及勁性骨架腹桿受壓穩(wěn)定性能兩方面進行腹桿構(gòu)造形式優(yōu)化。

3 腹桿合理構(gòu)造形式

借鑒國內(nèi)外采用勁性骨架組合法施工及全勁性骨架法施工的已建拱橋工程實例，經(jīng)有限元試算并統(tǒng)計，3種較合理的勁性骨架腹桿構(gòu)造形式見圖5～7。

圖5 腹桿構(gòu)造形式2示意圖

圖6 腹桿構(gòu)造形式3示意圖

圖7 腹桿構(gòu)造形式4示意圖

依據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，因勁性骨架受力行為與桁架結(jié)構(gòu)相近?？蓪D2～3、圖5～7所示的勁性骨架腹桿合理構(gòu)造形式簡化為圖8～11的簡化力學(xué)模型進行理論分析(簡化力學(xué)模型可無限增加循壞桿件，同類桿件受力相同)。跨中區(qū)傳遞的相同剪力F作用下勁性骨架各桿件所受內(nèi)力如圖中所示。

4 基于懸澆段與勁性骨架接頭抗剪的腹桿構(gòu)造形式優(yōu)化

依據(jù)懸澆段與勁性骨架接頭精細化實體模型(見圖12)計算結(jié)果，如圖13所示，相同剪力作用下，上弦桿錨固點處接頭混凝土基本為壓應(yīng)力；而下弦桿錨固點處接頭混凝土較大區(qū)域產(chǎn)生主拉應(yīng)力，可能引發(fā)接頭混凝土局部崩裂，構(gòu)造形式1(原設(shè)計)的斜腹桿為壓桿，勁性骨架跨中區(qū)的剪力以斜腹桿軸向壓力豎向分力的形式傳至下弦桿錨固點。所以，構(gòu)造形式1對于接頭抗剪不利。因此，可采用腹桿構(gòu)造形式2(見圖9)，利用斜腹桿(拉桿)將剪力“引”至接頭上弦桿錨固點，從而減緩下弦桿處接頭混凝土受剪崩裂的壓力。

構(gòu)造形式3、4的斜腹桿既有拉桿又有壓桿，雖其斜腹桿內(nèi)力是構(gòu)造形式1、形式2的斜腹桿內(nèi)力的1/2。但仍有剪力以斜腹桿軸向壓力豎向分力的形式傳至下弦桿錨固點。因此，構(gòu)造形式2為懸澆段與勁性骨架接頭抗剪最優(yōu)形式。

圖12 半寬拱圈接頭精細化實體模型圖

圖13 上、下弦桿剪力作用下接頭混凝土主拉 應(yīng)力云圖 (單位：Pa，彩色區(qū)域超過0.5 MPa)

5 基于受壓穩(wěn)定性的腹桿構(gòu)造形式優(yōu)化

勁性骨架在相同剪力F作用下，腹桿受力狀況如表1所示。

表1 腹桿受力狀況統(tǒng)計表

由表1可知，原設(shè)計勁性骨架腹桿的相對穩(wěn)定系數(shù)最小，構(gòu)造形式2、形式3和形式4腹桿的相對穩(wěn)定系數(shù)基本相同。構(gòu)造形式3和形式4豎腹桿為零桿，因構(gòu)造形式4的豎腹桿與斜腹桿相交，有助于提高斜腹桿的穩(wěn)定性，故構(gòu)造形式4優(yōu)于構(gòu)造形式3；但構(gòu)造形式3、形式4的斜腹桿材料用量比構(gòu)造形式1、形式2的多一倍。

以下通過有限元程序驗證表1所示受壓腹桿相對穩(wěn)定系數(shù)理論分析結(jié)果，當勁性骨架腹桿采用構(gòu)造形式2，重新對夜郎湖大橋進行施工階段穩(wěn)定性分析(勁性骨架段外包混凝土底板+1/2腹板澆筑階段，同樣以該階段外包混凝土底板+1/2腹板濕重為基本荷載)。此時，前10階失穩(wěn)均為勁性骨架豎腹桿失穩(wěn)。第11階失穩(wěn)為勁性骨架下弦桿失穩(wěn)，圖14所示為第1階屈曲模態(tài)，臨界荷載系數(shù)為7.861(7.861≠31.25/16×5.316=10.383，原因在于勁性骨架簡化為桁架結(jié)構(gòu)帶有較大的近似性)，大于原設(shè)計勁性骨架在相同工況下的臨界荷載系數(shù)5.316，證明了針對受壓穩(wěn)定性的腹桿構(gòu)造形式優(yōu)化是有效的。

圖14 外包混凝土底板+1/2腹板澆筑階段 第1階屈曲模態(tài)示意圖(腹桿構(gòu)造形式2)

6 結(jié)語

對于懸澆段與勁性骨架接頭抗剪，構(gòu)造形式2為最優(yōu)形式。對于腹桿受壓穩(wěn)定性及其材料用量綜合情況，構(gòu)造形式2亦為最優(yōu)形式。因此，采用懸臂澆筑與勁性骨架組合法施工的拱橋勁性骨架腹桿宜采用構(gòu)造形式2。

[1]土木工程學(xué)會，結(jié)構(gòu)工程協(xié)會，大跨度混凝土拱橋設(shè)計方法研究委員會.600m級大跨度混凝土拱橋設(shè)計·施工[Z].2003.

Optimization Study on Rigid Skeleton Web-rod Structure Form of Yelang Lake Bridge

ZOU Peng-hui，XIE Chang-zhou

(School of Civil Engineering and Architecture，Chongqing Jiaotong University，Chongqing，400074)

The web-rod structure form has a significant effect on its own compressive stability of rigid skeleton and on the force action of joints between rigid skeleton and cantilever casting section.Guizhou Yelang Lake Bridge intends to adopt the combination construction method of cantilever pouring and rigid skeleton，thus relying on this engineering example，regarding four reasonable rigid skeleton web-rod structure forms，this article conducted the optimization analysis on the web-rod structure forms from two aspects，i.e.web-rod compression stability of rigid skeleton，and the force action of joints between cantilever casting section and rigid skeleton.

Combination construction method；Rigid skeleton；Joints；Web rods；Optimization study

U

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.06.011

1673-4874(2015)06-0044-04

2015-05-07

鄒鵬輝，碩士研究生，主要從事拱橋設(shè)計理論及施工控制技術(shù)研究工作。

貴州省交通運輸廳科技項目“懸臂澆筑與勁性骨架組合的大跨度砼拱橋技術(shù)關(guān)鍵與示范”(2014-121-033)