基于異形結(jié)構(gòu)的大跨度鋼拱橋設(shè)計(jì)與分析

黃兆亮

摘要 為提高大跨度鋼拱橋設(shè)計(jì)水平，文章以具體橋梁工程為例，結(jié)合分析線路條件限制和設(shè)計(jì)原理，提出（32+140+32）m鋼箱鋼架拱橋式設(shè)計(jì)方案，并闡述關(guān)鍵設(shè)計(jì)要點(diǎn)。經(jīng)驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)方案具有良好的合理性及安全性，能夠達(dá)到橋式結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求，對于提高大跨度鋼拱橋設(shè)計(jì)水平，確保橋梁工程整體質(zhì)量具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞 鐵路橋；鋼架拱；橋梁設(shè)計(jì)；穩(wěn)定分析

中圖分類號 U448.22文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）14-0096-03

0 引言

隨著拱橋結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展，我國所建設(shè)的鋼拱橋的結(jié)構(gòu)體系變得更加復(fù)雜，跨度也在逐漸增加。因而，加強(qiáng)對大跨度鋼拱橋的動力特性研究以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析，不僅能使橋梁設(shè)計(jì)、建設(shè)質(zhì)量得到保證，同時對大跨度鋼拱橋的安全長期使用也有積極意義[1]。

1 工程概況

某擬建大型橋梁所處河道較為順直，與上游大橋的距離約為80～120 m，考慮現(xiàn)有鐵路線路走向因素，沿著與河道中心線呈69°夾角的方向布置擬建橋梁的軸線。該橋梁設(shè)計(jì)級別為Ⅴ級航道，因此，橋梁通航的凈高度要大于6 m，雙孔單向通道時保證每個通道寬度大于55 m，單孔雙通道時保證通道寬度大于110 m，橋梁上鐵路為客運(yùn)專線，設(shè)計(jì)時速為200 km，專線之間間距為4.6 m。

2 橋式方案構(gòu)思

基于所采用橋式布置構(gòu)思方案，嚴(yán)格遵循橋梁設(shè)計(jì)原則，綜合考慮橋梁行車、受力需求，提出3種科學(xué)可行的橋式方案，即（32+140+32）m下承式鋼箱鋼架拱、（64+140+64）m連續(xù)梁拱、140 m簡支鋼箱系桿拱[2]。

第一種方案：（32+140+32）m下承式鋼箱剛架拱，主梁采用3 m高的三室單箱式截面，梁兩端的邊墩和柱墩均設(shè)置支座，拱肋采用鋼箱結(jié)構(gòu)，寬度1.2 m、高度3.5 m，主梁與拱肋用吊桿連接，拱肋與橋墩錨固連接。

第二種方案：（64+140+64）m連續(xù)梁拱，設(shè)置雙室單箱截面形式的主梁，主梁中支點(diǎn)高度為7 m、跨梁中部高3.5 m，拱肋高為2.8 m，拱肋為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，呈啞鈴式[3]。

第三種方案：140 m的簡支鋼箱系桿拱，鋼箱梁、拱肋的寬度均為1.94 m，系梁高度3.5 m，兩個拱肋平行布設(shè)，均為變截面鋼箱結(jié)構(gòu)，拱腳、拱頂處的高度分別為4.5 m、3 m。

兼顧成該經(jīng)濟(jì)性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、行車要求及特點(diǎn)等因素，經(jīng)過對三種方案的綜合比選發(fā)現(xiàn)，第一種方案更加可行，兼具結(jié)構(gòu)組成方式合理、受力穩(wěn)定可靠、效率高、成該低等優(yōu)勢。

3 下承式鋼箱剛架拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 結(jié)構(gòu)體系受力特點(diǎn)

結(jié)構(gòu)組成包含主梁、主拱、橋墩、吊桿、系桿、基礎(chǔ)，主梁與拱肋用吊桿連接，主梁主墩和兩端邊墩均有支座，進(jìn)而起到連接主梁和橋墩的目的。該橋梁結(jié)構(gòu)的縱向受力是按照主梁→吊桿→拱肋的方式，最終將縱向荷載力轉(zhuǎn)變?yōu)楣袄叩妮S向力；橫向荷載力是拱肋通過柱墩間的系桿來最終實(shí)現(xiàn)平衡的。

3.2 主拱拱肋

主拱拱肋結(jié)構(gòu)采用的是橋梁鋼板的截面鋼箱，拱軸線為拋物線，拱的矢高與跨徑比為0.25，矢高為35 m，拱肋采用鋼箱規(guī)格參數(shù)為1.2 m×3.5 m，拱肋頂部、底板厚度均為3.2 cm，腹板厚度為2.4 cm。另外，考慮到主拱肋橫向穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)，選擇在鋼箱2主拱肋之間等距布置8道“一”字形橫向支撐，橫向支撐采用的是規(guī)格為1.032 m×2.0 m普通碳素的鋼箱結(jié)構(gòu)。

3.3 主梁結(jié)構(gòu)

主梁結(jié)構(gòu)為三室單箱形截面，箱體頂部、底部厚度為250 mm，箱壁板厚度為300 mm，邊腹板厚度為250 mm。同時在邊墩支座中布設(shè)1m的橫隔梁，在中間橋墩支座上布設(shè)2 m橫隔梁，并在吊桿上設(shè)置一道厚度為300 mm厚的橫隔板。鑒于橫梁對主梁的預(yù)應(yīng)力束中心距為13 m，需要在每道橫梁下布置2道鋼絞線，在橫梁下緣兩端布設(shè)2道鋼絞線。最后在主梁箱體內(nèi)澆筑C50混凝土。

3.4 吊桿

吊桿為縱向雙吊桿系統(tǒng)，吊點(diǎn)中心間距0.5 m，按此間距共在主橋處設(shè)置16對吊桿。吊點(diǎn)中心與孔位之間的距離為8 m，當(dāng)橋梁正式通車運(yùn)行后，可以逐步更換吊桿。在吊桿材料的選擇上，邊吊桿采用LZM7-127鋼絲束，次邊吊桿采用LZM7-91，其他吊桿采用LZM7-73鋼絲束。

3.5 系桿

系桿由37根φ15.7 mm的鍍鋅涂油鋼絞線組成，拱肋上每片設(shè)置4根系桿，每根系桿的抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa，根據(jù)科學(xué)計(jì)算后，將系桿布設(shè)在拱肋下面的人行道護(hù)欄外側(cè)，并沿拱腳穿出，最終越過拱肋固定至拱座外側(cè)位置。

4 有限元模型模擬

建模工具采用Midas Civil 2015軟件，構(gòu)建FEA計(jì)算分析模型，用于驗(yàn)證試驗(yàn)測算值。吊桿用桁架單元模擬，拱肋和橫撐用空間梁單元模擬，對鋼箱梁采用自定義截面的方式分別進(jìn)行模擬，共布設(shè)了669個節(jié)點(diǎn)、1 014個單元，即：一是在兩端拱腳約束所有的自由度；二是橋墩支撐平臺底部采用6×6的自由度矩陣進(jìn)行模擬；三是順橋方向的主梁為半漂浮體系，根據(jù)穩(wěn)定性要求，做豎向固定處理，橫橋向的邊墩及主墩支座橫向均設(shè)置活動支座，用橫向彈性限位支座約束橫向主墩的橫向位移；四是橫撐與拱肋間的連接用彈性連接模擬。宜采用帶墩分析的力學(xué)模擬模型，建模結(jié)果如圖1。

4.1 應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果及分析

橋梁應(yīng)力試驗(yàn)采用加載試驗(yàn)的方式，加載物考慮的是T11BK型長鋼軌車列車組，基于Midas Civil 2015模擬軟件得到的主跨截面、吊桿、系桿及拱腳等參數(shù)后，考慮最差加載條件，在此前提下進(jìn)行模擬分析以確定加載輪位和試驗(yàn)情況。模擬分析中，移動荷載影響線計(jì)算采用的是Midas Civil 2015空間有限元模型，從而得出全橋的軸力和彎矩較大的位置，進(jìn)而來進(jìn)行加載試驗(yàn)。對比理論應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測應(yīng)力，按照《鐵路橋梁檢定規(guī)范》做進(jìn)一步分析，確定構(gòu)件的有關(guān)系數(shù)，評價橋梁結(jié)構(gòu)工作性能，具體分如下幾種情況考慮：

當(dāng)桿件實(shí)測彎曲應(yīng)力/桿件理論彎曲應(yīng)力=1時，理論值與實(shí)測值一致；

當(dāng)桿件實(shí)測彎曲應(yīng)力/桿件理論彎曲應(yīng)力＜1時，表明橋梁結(jié)構(gòu)工作性能狀況較好，荷載承受力有一定富余；

當(dāng)桿件實(shí)測彎曲應(yīng)力/桿件理論彎曲應(yīng)力＞1時，表明橋梁結(jié)構(gòu)工作性能狀況較差，施工設(shè)計(jì)荷載承受力不足。

以主梁斷面、中跨跨中部分?jǐn)嗝鏈y點(diǎn)為例，對比分析彎曲應(yīng)力理論值和實(shí)測值，結(jié)果如圖2～3所示。

通過圖2～3所示及上述技術(shù)測算，桿件實(shí)測彎曲應(yīng)力/桿件理論彎曲應(yīng)力的校驗(yàn)系數(shù)處在0.8～0.95范圍內(nèi)，而《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/TJ21—2011）中要求的校驗(yàn)系數(shù)范圍為0.7～1.05，因此可以得知，在計(jì)算模型和驗(yàn)算方式都運(yùn)用正確的情況下，鋼架系桿拱橋的理論計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值是較為接近的，驗(yàn)算的應(yīng)變和撓度校驗(yàn)值比公路承載力要求中的系數(shù)范圍小。截面尺寸、結(jié)構(gòu)跨度、結(jié)構(gòu)類型、測量誤差等因素均會影響校驗(yàn)系數(shù)，因此還需進(jìn)行大量的試驗(yàn)和驗(yàn)算，以確保類似結(jié)構(gòu)橋梁的校驗(yàn)結(jié)果更加可靠，而前述提及的校驗(yàn)系數(shù)僅供參考借鑒，具體還需根據(jù)實(shí)際工程環(huán)境進(jìn)行調(diào)整，不可直接應(yīng)用。

通過以上分析可知，該橋梁中的鋼架系桿拱橋、主梁斷面、主梁中跨的荷載力系數(shù)處于0.8～0.95范圍內(nèi)，表明橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.2 撓度試驗(yàn)結(jié)果及分析

該試驗(yàn)中將撓度值的測試控制位置布設(shè)在橋梁主跨的中間部位的擋砟墻上，分別在該處左右位置布設(shè)8個監(jiān)測點(diǎn)，左擋砟墻跨中、右擋砟墻跨中各測點(diǎn)的撓度實(shí)測值和理論值，如表1所示。

根據(jù)表1可知，撓度值的校驗(yàn)系數(shù)為0.8～0.91，對比分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)測值均低于理論值，結(jié)構(gòu)的剛度達(dá)標(biāo)。

4.3 梁體振幅與振動加速度測試結(jié)果及分析

根據(jù)實(shí)測結(jié)果可知，邊跨跨中的最大縱向振幅為0.14 mm，最大縱向加速度為0.068 m/s2；測試得到的中跨跨中最大縱向振幅為0.339 mm，中跨跨中的最大縱向加速度為0.063 m/s2，如圖4～5所示；經(jīng)過與《公路橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》（JT/T1037—2016）的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行對比分析，得知實(shí)測縱向下限振幅均在許可范圍內(nèi)，相比規(guī)程要求的縱向下限加速度3.5 m/s2，測試值更低。中跨跨中、邊跨跨中的最大橫向振幅實(shí)測值分別為0.075 mm、0.036 mm，中跨跨中、邊跨跨中的最大橫向加速度分別為0.663 m/s2和0.486 m/s2，經(jīng)過對比分析可知，無論橫向下限振動還是下限加速度，實(shí)際測量結(jié)果均小于技術(shù)規(guī)程的下限值。

5 結(jié)論

通過對主橋（32+140+32）m剛架拱橋式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析，發(fā)現(xiàn)該橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)營階段各橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件均能達(dá)到剛度、強(qiáng)度及穩(wěn)定性要求，橋梁結(jié)構(gòu)整體質(zhì)量良好，可滿足大跨度鋼拱橋設(shè)計(jì)使用要求。并且，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平高，有效地組合應(yīng)用鋼箱拱和剛架梁橋，在充分遵循橋梁設(shè)計(jì)總原則的同時還簡化了結(jié)構(gòu)受力，提高了橋梁的跨越能力，控制了梁端轉(zhuǎn)角，并能在保障通航凈高的基礎(chǔ)上控制建筑高度，具有良好的推廣和應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)

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