收稿日期:2023-11-22
作者簡介:朱鴻欣(1972—),男,湖北武漢人,碩士研究生,高級工程師,研究方向:橋梁設計。
摘 要:對一座采用“強梁弱拱”的公路連續梁拱組合橋開展研究,對該橋的拱、梁結構在施工過程中及通車運營后的受力、變形特點進行了分析,歸納總結拱、梁結構的構造尺寸、截面特性值的差異與其承擔的荷載作用之間的關系,分析結果用來指導該橋的設計,從而達到結構安全、經濟、可行的設計目標。
關鍵詞:連續梁拱組合橋;強梁弱拱;公路橋;拱肋;吊桿;主梁
中圖分類號:U442.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼:A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號:2096-6903(2024)03-0007-03
1橋梁概況
某跨越黃河大橋橋位處河寬210 m,IV級航道。管理部門要求河中橋墩數≤2個,通航孔跨徑≥150 m。該橋橋面布置雙向4車道并設非機動車道和人行道,設計荷載為公路I級。主橋為(80+150+80)m連續梁拱組合橋,中跨為下承式梁拱組合結構。本橋道路豎向設計受限于3個要求:①橋下通航凈高要求≥8 m。②主橋南端無引橋,要求與河堤頂部道路平交。③最大縱坡要求≤3%,須嚴格控制中跨梁高。
本橋施工受限于兩點:①橋位周邊建筑密集,施工場地狹窄,難以采用懸拼法或轉體法建造拱結構。②對河道通航及行洪要求高,施工期間不能大量占用水域面積,不宜采用支架法建造拱結構或梁結構。
最終采用的施工方案為:懸澆法完成(80+150+80)m連續梁施工。連續梁成橋后,在中跨橋面上搭設支架裝配鋼管拱肋。完成拱肋、吊桿安裝,施工橋面附屬結構。連續梁先行成橋,獨自承擔梁自重以及建造拱肋時的施工荷載,后期安裝完成的拱結構則承擔部分橋面附屬結構恒載(二期恒載)及汽車等活載。
2設計研究
2.1 模型建立
本橋橫向寬度較大,故主梁采用單箱多室整體箱型截面,其剛度及體量均大于常規公路梁拱組合橋中的系梁。
梁拱組合體系中,二期恒載及汽車等活載均直接作用于主梁,再通過主梁豎向變形及吊桿的軸向拉伸傳遞給拱肋,拱肋的剛度、吊桿的截面積都會影響其參與受力的程度,為此建立有限元模型計算分析當拱肋剛度、吊桿面積不同時,主梁內力的變化。拱肋采用鋼管混凝土,吊桿采用高強鍍鋅鋼絲拉索。拱肋線形為懸鏈線,矢跨比1:5。表1中模型1的結構參數根據工程經驗值擬定,作為比較的基準參數。模型2、3在模型1基礎上增大不同倍數。
2.2 計算分析
在各項荷載作用下,不同模型中的主梁內力及變形均存在差異,并呈現一定變化規律。
2.2.1 二期恒載
當全橋作用200 kN/m的二期恒載時,不同模型中主梁截面內力及變形如表2~4所示。
當拱肋慣性矩和吊桿面積增加時,有以下6點發現:①表2顯示中跨各截面彎矩減少幅度較大,最多可減少52%(1/2中跨處)。②表3顯示中跨各截面剪力減少程度不及彎矩,剪力最多減少21%(1/4中跨處)。③表4顯示中跨各截面豎向撓度明顯減小,最多可減少60%(1/2中跨處)。④表5顯示邊跨各截面的正彎矩增加,1/2邊跨處正彎矩可增加66%。同時截面的負彎矩減少,3/4邊跨處負彎矩減少26%。⑤表6顯示邊跨各截面剪力略有減小,最多減少10%。⑥表7顯示邊跨各截面豎向撓度增加顯著,1/2邊跨處增加38%。
可見拱肋慣性矩和吊桿面積的變化,主要引起主梁中跨內力及豎向撓度變化,進而通過結構變形的連續性影響到邊跨,邊跨內力和撓度的變化程度相對偏低。
2.2.2汽車荷載
本橋汽車荷載采用公路-I級,是成橋后的主要荷載,在其作用下不同模型中主梁截面內力及變形如表8~10所示。
表8顯示,汽車荷載作用下,不同模型主梁中跨內各截面彎矩的變化相對較小。如1/2中跨處正彎矩最多減少38%, 中支點負彎矩僅減少8%。表9顯示,拱肋慣性矩和吊桿面積的變化對主梁中跨截面剪力的影響很小。如1/4中跨處剪力減少4%(模型2)~16%(模型3),中支點處僅減小0.3%(模型2)~2%(模型3)。表10顯示,拱肋慣性矩和吊桿面積的增加明顯減小主梁中跨的撓度。在1/4中跨處撓度減小16%(模型2)~40%(模型3),在1/2中跨處撓度減小36%(模型2)~65%(模型3)。
表11中,將模型2、3對比模型1發現:近梁端處截面(1/4、1/2邊跨)最大正彎矩值變化不大,而最大負彎矩值減小較多。近中支點處截面(1/4、1/2邊跨)最大正、負彎矩值變化幅度較小。
表12中,將模型2、3對比模型1發現:各截面剪力值變化較小,且近梁端處截面(1/4、1/2邊跨)減小,近中支點處截面(1/4、1/2邊跨)增加。
表13顯示,不同模型中邊跨內各截面撓度值變化很小。
2.3 設計成果
分析結果顯示,在連續梁中跨增設拱結構,隨著拱肋截面慣性矩和吊桿面積增加,其承擔的荷載也增大,對主梁中跨各截面的內力及變形的改善效果更明顯,但是繼續增大拱結構參數并沒有同比例地增加其承擔的荷載。
本橋設計中首先要求主梁必須具備一定的強度和剛度,以保證施工期間的結構安全。其次中跨增加的拱結構能夠滿足主梁梁高較小的情況下,主梁各截面內力及撓度滿足要求即可。
與連續梁橋方案相比,本橋采用梁拱組合橋后,二期恒載作用下,主梁中跨跨中截面的最大正彎矩減少62%,中支點截面最大負彎矩減少46%,中跨跨中撓度減少73%,邊跨負彎矩區段縮短且數值減少,邊跨撓度方向改變且數值減小。具體如圖2、圖3所示。
采用梁拱組合橋后,汽車荷載作用下,主梁中跨跨中截面的最大正彎矩減少60%,邊跨跨內最大正彎矩減少33%,同時中支點截面最大負彎矩減少47%。中跨跨中撓度減少79%,邊跨跨內最大撓度減少47%。具體如圖4、圖5、圖6所示。
3結束語
連續梁拱組合橋的設計,需要明確梁、拱在組合體系中的作用大小,其由梁、拱結構的力學性能參數、參與受力的階段決定。要遵循安全經濟的原則,經過試算、比選才能合理地確定主梁、拱肋、吊桿等構件的性能參數。
參考文獻
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