拱橋PC三角剛架受力分析及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

駱煒然

(廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

1 引言

廣西玉林市容縣站前大橋，為三跨中承式系桿拱橋，跨徑布置為(37.5+150+37.5)m，橋面寬42 m，橋型如圖1所示。該橋主跨150 m，拱圈矢高40 m，矢跨比1∶3.75，拱軸線為二次拋物線。拱腳至拱頂截面高4～2.5 m，線性變化。該橋?yàn)橥怀鼍坝^效果，邊跨取消了拱上立柱，采用三角剛架的結(jié)構(gòu)形式。其受力構(gòu)件由三角剛架、主拱圈、橋面系以及吊桿、系桿組成。該橋與飛鳥式拱橋有著截然不同的結(jié)構(gòu)體系。其中，三角剛架是該橋最為重要、也是受力最為復(fù)雜的構(gòu)件。該文針對(duì)三角剛架進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究其受力性能與特點(diǎn)及關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)。

圖1 橋型布置圖(單位：cm)

2 三角剛架結(jié)構(gòu)布置及數(shù)值模擬

三角剛架作為該橋重要受力構(gòu)件，綜合了主拱圈基座、系桿錨固點(diǎn)以及邊跨橋面系的功能。該結(jié)構(gòu)在順橋向由V形立柱及主縱梁構(gòu)成三角形剛架；在橫橋向則由V形立柱、橫梁、小縱梁以及橋面板組成“門”形框架，橫梁間距為3～4 m，各部件在節(jié)點(diǎn)處均采用固結(jié)。此外，拱橋系桿分別錨固于V形立柱頂部。三角剛架采用C60混凝土。利用Midas Civil軟件，建立全橋空間桿系模型，其中三角剛架采用梁格法模擬。

系桿錨固點(diǎn)、V形立柱與主縱梁結(jié)合部為應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)，利用Midas FEA軟件，建立三角剛架實(shí)體模型，并從全橋桿系模型中提取相關(guān)荷載進(jìn)行計(jì)算。

表1為兩個(gè)模型在相同荷載工況(恒載+預(yù)應(yīng)力+降溫+系桿)的分析結(jié)果。應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)如圖2所示。

表1 三角剛架擾動(dòng)區(qū)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

注：表中壓應(yīng)力為正；桿系模型與實(shí)體模型頂?shù)装逄帒?yīng)力均為該處平均值。

圖2 三角剛架擾動(dòng)區(qū)應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)(單位：cm)

由表1可知：兩種模型的結(jié)果雖然不盡相同，但應(yīng)力變化趨勢(shì)相吻合。除應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)外，兩類模型在橫梁處的計(jì)算結(jié)果較為接近，表2為同一根橫梁在相同荷載工況下應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(恒載+預(yù)應(yīng)力+降溫+車載+人群)，且桿系單元計(jì)算結(jié)果偏保守。

表2 橫梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 MPa

三角剛架是一個(gè)受力較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，通過(guò)不同計(jì)算手段相互校核，表明采用梁格法模擬剛架結(jié)構(gòu)仍具有較好的精度，但應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)需采用更精確的實(shí)體模型進(jìn)行分析，以確保結(jié)構(gòu)安全。

3 三角剛架受力特點(diǎn)

桿系模型分析結(jié)果表明：三角剛架V形立柱根部區(qū)域是其控制性部位。表3、4分別為A、B兩側(cè)立柱根部，在各類荷載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力(同號(hào))及所占比例。

表3 A立柱根部結(jié)構(gòu)內(nèi)力及占比

注：My為順橋向彎矩，Mz為橫橋向彎矩；A、B立柱位置見(jiàn)圖3；基礎(chǔ)沉降按1 cm考慮；整體溫變按22 ℃考慮；系桿荷載按6 000 kN考慮，下同。

表4 B立柱根部結(jié)構(gòu)內(nèi)力及占比

圖3 三角剛架施工分段示意

綜上所述，該橋三角剛架結(jié)構(gòu)有以下特點(diǎn)：① 結(jié)構(gòu)在順橋向?qū)ο禇U荷載、溫度荷載及基礎(chǔ)沉降敏感，且系桿荷載占主導(dǎo)地位；② 結(jié)構(gòu)在橫橋向?qū)囟群奢d及基礎(chǔ)沉降敏感；③ 在上述敏感荷載中，除溫度荷載與基礎(chǔ)沉降不可避免外，系桿荷載則可依據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，在三角剛架的承載能力之內(nèi)，應(yīng)盡可能地增加系桿拉力；④ 剛架在橫橋向上框架效應(yīng)明顯，橫橋向內(nèi)力不可忽略；⑤ 剛架結(jié)構(gòu)對(duì)預(yù)應(yīng)力效應(yīng)有約束作用，即剛架結(jié)構(gòu)存在削弱預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的情況。針對(duì)上述力學(xué)特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)采取相應(yīng)措施，減少其不利影響。

4 三角剛架設(shè)計(jì)要點(diǎn)

針對(duì)三角剛架的力學(xué)特性，提出相應(yīng)的施工措施來(lái)減少其不利因素，具體方案如下。

(1)針對(duì)剛架對(duì)預(yù)應(yīng)力的約束問(wèn)題，三角剛架應(yīng)采取分段施工的措施。圖3為三角剛架A～E共5個(gè)施工節(jié)段，采用支架+預(yù)應(yīng)力拉桿施工方案。即先施工V形立柱A、B立柱，再施工C、D節(jié)段，最后施工E合龍段。預(yù)應(yīng)力鋼束按照施工節(jié)段分段布置，在交界面上采用連接器接長(zhǎng)。

三角剛架建成時(shí)，較一次落架而言，采用分段澆筑施工方法，主縱梁壓應(yīng)力儲(chǔ)備較大(表5)，可有效地增強(qiáng)預(yù)應(yīng)力效應(yīng)。

(2)由于合龍溫度對(duì)三角剛架的內(nèi)力影響顯著。因此C、D節(jié)段中設(shè)置一段1.5 m的合龍段(E節(jié)段)，以便在氣溫較低的夜間鎖定合龍機(jī)構(gòu)并快速完成混凝土澆筑。此外C、D節(jié)段同時(shí)施工，有利于縮短工期。

表5 主縱梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

(3)對(duì)于基礎(chǔ)不均勻沉降，可采用樁底注漿工藝減少沉降量。

(4)該橋系桿荷載的取值主要決定于三角剛架的承載能力。在系桿荷載作用下，V形立柱產(chǎn)生向橋跨中一側(cè)的彎曲變形。經(jīng)計(jì)算，對(duì)A立柱而言，根部底板混凝土首先達(dá)到抗壓承載力極限；同理，對(duì)B立柱而言，根部底板混凝土首先達(dá)到抗拉承載能力極限。且隨著系桿荷載增加，B立柱根部底板混凝土開(kāi)裂先于A立柱根部底板混凝土壓潰，此時(shí)，A立柱根部最大壓應(yīng)力為17.2 MPa。故系桿張拉基準(zhǔn)荷載由B立柱根部抗裂承載能力決定。

為達(dá)到增加系桿拉力的目標(biāo)，該文提出一種調(diào)整剛架立柱內(nèi)力的方法，即通過(guò)交界墩處支座回落，迫使立柱產(chǎn)生向交界墩一側(cè)的彎曲變形。經(jīng)計(jì)算，在支座回落過(guò)程中，對(duì)A立柱而言，根部底板混凝土拉應(yīng)力首先達(dá)到抗拉承載能力極限；同理，對(duì)B立柱而言，根部頂板混凝土首先達(dá)到抗拉承載能力極限。且隨著支座回落高度的增加，B立柱根部頂板混凝土開(kāi)裂率先發(fā)生。由此可見(jiàn)B立柱短期應(yīng)力限值決定了系桿張拉荷載。

經(jīng)計(jì)算，B立柱根部頂板混凝土在施工階段拉應(yīng)力不超限的情況下，交界墩處可最大設(shè)置5 cm強(qiáng)制位移，此時(shí)單側(cè)系桿荷載增加約7 550 kN，該措施有效降低了基礎(chǔ)的水平推力。對(duì)于未能通過(guò)系桿平衡的水平推力，仍需要通過(guò)橋梁基礎(chǔ)承擔(dān)。

三角剛架內(nèi)力調(diào)整實(shí)施方案：施工D節(jié)段時(shí)，預(yù)先在交界墩支座處設(shè)置砂箱，并調(diào)整D節(jié)段預(yù)拱度，使整個(gè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生預(yù)抬。在三角剛架施工完成后，逐步拆除支架，并釋放交界墩處砂箱，使三角剛架逐步回落至支座處，從而完成剛架內(nèi)力調(diào)整。

5 結(jié)論

以一座三跨中承式系桿拱橋?yàn)楸尘?，運(yùn)用不同的有限元模型對(duì)三角剛架的力學(xué)性能與特點(diǎn)進(jìn)行分析研究。為充分發(fā)掘結(jié)構(gòu)潛力，針對(duì)該橋三角剛架力學(xué)特點(diǎn)，提出了減少剛架約束效應(yīng)以及增加系桿張拉力的措施，可得如下結(jié)論：

(1)三角剛架結(jié)構(gòu)對(duì)溫度、支座沉降以及系桿荷載較為敏感，其影響遠(yuǎn)超過(guò)汽車與人群荷載。

(2)三角剛架立柱在橫橋向受力不可忽略。

(3)三角剛架B立柱承載能力對(duì)全橋系桿荷載起決定性作用。

(4)剛架結(jié)構(gòu)對(duì)預(yù)應(yīng)力有較為明顯的約束作用。

(5)對(duì)于三角剛架應(yīng)力擾動(dòng)區(qū)，實(shí)體單元分析結(jié)果較為可靠。

(6)通過(guò)分段施工，分段張拉鋼束，有效地增強(qiáng)了預(yù)應(yīng)力效應(yīng)。

(7)通過(guò)設(shè)置合龍段，以便在有利溫度下實(shí)現(xiàn)快速合龍。

(8)通過(guò)采用支座回落的方法調(diào)整三角剛架立柱內(nèi)力，使V形立柱產(chǎn)生預(yù)壓效應(yīng)，使得系桿張拉力得以增加，有效降低了基礎(chǔ)水平推力，節(jié)約了工程投資。