淺析鋼管混凝土桁梁橋連續(xù)體系受力范文

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【摘要】鋼管混凝土桁梁橋的主梁下弦管、上弦管(橋面板)之間幾何獨(dú)立，由各管在跨間約束組成的主梁連續(xù)體系形式的選擇是該類橋梁設(shè)計(jì)過程中需要解決的關(guān)鍵問題之一。文章以汶馬高速公路汶川克枯大橋?yàn)槔?，分析了?qiáng)連續(xù)體系、中連續(xù)體系和弱連續(xù)體系下鋼管混凝土桁梁力學(xué)行為的差異，提出了采用中連續(xù)體系時(shí)主梁受力最為均衡，為該類橋型設(shè)計(jì)和理論研究提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】鋼管混凝土桁梁橋;強(qiáng)連續(xù)體系;中連續(xù)體系;弱連續(xù)體系

鋼管混凝土桁梁橋的主梁由鋼管混凝土下弦管、上弦管、腹管、鋼－混凝土組合橋面板及橫撐構(gòu)件共同組成，該類橋型主要受力構(gòu)件均為鋼管混凝土構(gòu)件。由于鋼管對(duì)混凝土的套箍效應(yīng)，管內(nèi)混凝土抗壓強(qiáng)度和壓縮變形能力得以提高，同時(shí)也增加了鋼管的幾何穩(wěn)定性和承載能力，從而充分發(fā)揮了鋼管和混凝土兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，使用鋼量和混凝土用量較同跨徑鋼橋和混凝土橋有明顯優(yōu)勢(shì)，主梁自重輕也使鋼管混凝土桁梁橋抗震性能卓越，近年來在我國(guó)西南山區(qū)高速公路逐漸推廣使用［1－3］。鋼管混凝土下弦管和上弦管(橋面板)之間幾何獨(dú)立，通過鋼管混凝土腹管相連后形成主梁，上、下弦管在各跨間墩頂處存在多種組合約束方式，由此形成的主梁連續(xù)體系如何影響靜力作用下橋面板、弦管、腹管等構(gòu)件的力學(xué)行為有待研究。每聯(lián)橋動(dòng)力特性及屈曲特征如何隨之變化同樣值得關(guān)注，對(duì)此分析結(jié)果可直接為橋梁設(shè)計(jì)思路提供依據(jù)，目前國(guó)內(nèi)外的已有研究?jī)H針對(duì)主梁在完全簡(jiǎn)支或完全連續(xù)狀態(tài)的受力行為［4］，或鋼管混凝土受彎構(gòu)件的承載力研究［5］，對(duì)主桁梁連續(xù)體系的研究尚無先例。本文以汶馬高速公路汶川克枯大橋?yàn)楸尘?，針?duì)跨間上下弦管均各向約束的強(qiáng)連續(xù)體系、上弦管(橋面板)各向約束的中連續(xù)體系和上弦管(橋面板)縱向平動(dòng)約束的弱連續(xù)體系，進(jìn)行了主梁連續(xù)體系對(duì)鋼管混凝土桁梁橋主梁力學(xué)行為和動(dòng)力特性影響的計(jì)算分析。

1工程概況

汶馬高速公路汶川克枯大橋是目前世界上建設(shè)規(guī)模最大的鋼管混凝土桁梁橋工程，包括克枯橋梁工程和下莊橋梁工程。橋梁工程全長(zhǎng)約4．3km，采用標(biāo)準(zhǔn)30m和40m兩種跨徑，桁主梁梁高分別為3．5m和4．2m，采用平面桁架型式，上、下弦管及腹管均為鋼管混凝土，主梁頂面采用鋼混凝土組合橋面板，下部結(jié)構(gòu)為鋼管混凝土橋墩和混凝土樁基礎(chǔ)，橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面型式如圖1所示。在擬分析的主梁連續(xù)體系中，強(qiáng)連續(xù)體系與常規(guī)連續(xù)梁跨間約束一致，為主梁全斷面連續(xù)(圖2);中連續(xù)體系為下弦管斷開，上弦管(橋面板)連續(xù)(圖3);弱連續(xù)體系為下弦管斷開，上弦管(橋面板)縱向平動(dòng)約束，該種連續(xù)體系主要考慮解決橋面板混凝土避免負(fù)彎矩作用，同時(shí)保持結(jié)構(gòu)縱向連續(xù)性，因此在構(gòu)造上為橋面板混凝土斷開，橋面板鋼底板和上弦管不斷開(圖4)。

2空間有限元模型

汶川克枯大橋鋼管混凝土桁梁橋共計(jì)32聯(lián)、219跨，采用30m和40m兩種跨徑組合而成，最短聯(lián)長(zhǎng)度為150m，最長(zhǎng)聯(lián)長(zhǎng)度290m。考慮到聯(lián)長(zhǎng)越長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)靜力受力和動(dòng)力特性越復(fù)雜，主梁連續(xù)體系研究越具有代表性，本文選擇了克枯橋梁工程左線第6聯(lián)作為分析對(duì)象，跨徑組合為3×30m+5×40m，建立了空間有限元模型如圖5所示。模型共計(jì)梁?jiǎn)卧?420個(gè)，建立了鋼管混凝土上弦管、下弦管、腹管、鋼－混凝土組合橋面板、鋼管橫撐、鋼管混凝土橋墩和樁基礎(chǔ)單元，模型考慮了樁－土效應(yīng)，采用土彈簧模擬下部結(jié)構(gòu)支承，墩頂支座均采用變剛度抗震支座，水平剛度介于800～3300kN/m之間，模型中通過彈性連接模擬。

3計(jì)算結(jié)果及力學(xué)行為分析

根據(jù)JTGD60－2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，計(jì)入結(jié)構(gòu)自重、下弦管預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變、溫度荷載、車道荷載作用后，鋼管混凝土構(gòu)件可能出現(xiàn)受壓和受拉狀態(tài)，部分桿件甚至存在受拉和受壓交變狀態(tài)。當(dāng)其受拉時(shí)，按空鋼管受力進(jìn)行應(yīng)力分析;當(dāng)其受壓時(shí)，計(jì)入管內(nèi)混凝土貢獻(xiàn)，根據(jù)組合材料進(jìn)行承載力驗(yàn)算對(duì)比，承載能力公式如式1所示：式中:φl(shuí)為長(zhǎng)細(xì)比折減系數(shù);φe為偏心矩折減系數(shù);Kp為初應(yīng)力折減系數(shù);Kt為混凝土脫空系數(shù);fsc為鋼管混凝土組合抗壓強(qiáng)度;Asc為鋼管混凝土組合受壓面積;γ為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)。

3．1下弦管

三種連續(xù)體系對(duì)應(yīng)的下弦管受力結(jié)果見表1、表2。在中連續(xù)體系和弱連續(xù)體系下，下弦管在墩頂斷開時(shí)，其軸力在此處歸零，連續(xù)梁中支點(diǎn)附近負(fù)彎矩效應(yīng)消失，表現(xiàn)為墩頂附近受壓下弦管內(nèi)力較小;強(qiáng)連續(xù)體系下弦管在墩頂連續(xù)時(shí)，墩頂附近受壓下弦管內(nèi)力則顯著增加。相反地，跨中附近受拉下弦管應(yīng)力則隨下弦管墩頂連續(xù)而降低，隨著下弦管墩頂斷開趨向于簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)下緣受力狀態(tài)，致使最大名義拉應(yīng)力和疲勞應(yīng)力幅增加。由于中連續(xù)體系下主梁上緣仍處于連續(xù)狀態(tài)，其受拉下弦管應(yīng)力(幅)小于弱連續(xù)體系時(shí)，其受壓下弦管內(nèi)力明顯小于強(qiáng)連續(xù)體系時(shí)。

3．2腹管

對(duì)于受拉腹管，墩頂附近的402×18腹管受主梁連續(xù)體系影響最大，在強(qiáng)連續(xù)體系下名義應(yīng)力最小，在弱連續(xù)體系下名義應(yīng)力最大。強(qiáng)、中、弱連續(xù)體系下名義應(yīng)力比為1∶1．04∶1．06，跨中附近的402×12(14)腹管名義應(yīng)力則幾乎不變，表明受主梁連續(xù)體系的影響最小，420×16腹管所受影響則介于兩者之間(圖6)。值得注意的是，不受腹管位置影響，強(qiáng)連續(xù)體系下的腹管疲勞應(yīng)力幅始終大于中連續(xù)體系和弱連續(xù)體系，而后兩者則較為接近(圖7)。對(duì)于受壓腹管，三種連續(xù)體系對(duì)應(yīng)的承載能力安全度如圖8所示，總體上隨著腹管越靠近跨中，承載能力安全度越高。對(duì)于墩頂附近的402×18腹管，強(qiáng)連續(xù)體系安全度最高，中連續(xù)體系次之，弱連續(xù)體系最低，對(duì)于其余腹管則逐漸呈現(xiàn)強(qiáng)連續(xù)體系安全度最低，弱連續(xù)體系最高。

3．3橋面板

對(duì)于鋼混凝土組合橋面板，上緣由混凝土承受荷載，下緣由底鋼板承受荷載，在三種連續(xù)體系下，墩頂和跨中附近的橋面板上、下緣的應(yīng)力如表3所示。弱連續(xù)體系可以明顯消除負(fù)彎矩區(qū)混凝土拉應(yīng)力，強(qiáng)連續(xù)體系對(duì)應(yīng)位置的混凝土拉應(yīng)力為5．1MPa，中連續(xù)體系由于只有上弦管(橋面板)連續(xù)，且橋面板需承受彎矩作用，混凝土拉應(yīng)力達(dá)到8．2MPa，為三種體系下最大值，但仍可通過超筋和使用鋼纖維混凝土、切縫等措施保證混凝土使用性能滿足要求。

3．4動(dòng)力特性及屈曲分析

鋼管混凝土桁梁橋一階振型和一階屈曲模態(tài)見圖9、圖10。在三種連續(xù)體系下，鋼管混凝土桁梁橋前十階振型特征以及前十階屈曲模態(tài)均一致，強(qiáng)連續(xù)體系一階自振頻率略大于中連續(xù)體系和弱連續(xù)體系，分別為0．43Hz、0．42Hz、0．4Hz(表4);弱連續(xù)體系下橋梁穩(wěn)定安全系數(shù)明顯小于中連續(xù)體系和強(qiáng)連續(xù)體系對(duì)應(yīng)值(表5)。

4結(jié)論

本文以汶馬高速公路汶川克枯大橋的鋼管混凝土桁梁橋工程為背景，考慮強(qiáng)連續(xù)體系(上、下弦均連續(xù))、中連續(xù)體系(僅上弦管及橋面板連續(xù))、弱連續(xù)體系(僅上弦管及橋面板鋼底板連續(xù))三種主梁連續(xù)體系，建立空間有限元分析模型，對(duì)比分析了下弦管、腹管、橋面板等構(gòu)件力學(xué)行為以及橋梁動(dòng)力特性在不同主梁連續(xù)體系下的差異，得出以下結(jié)論:(1)中連續(xù)體系和弱連續(xù)體系下，受壓下弦管內(nèi)力較小，受拉下弦管名義應(yīng)力和疲勞應(yīng)力幅相對(duì)較大;強(qiáng)連續(xù)體系下，受壓下弦管內(nèi)力急劇增大，受拉下弦管名義應(yīng)力和疲勞應(yīng)力幅則相對(duì)較小。(2)墩頂附近腹管受連續(xù)體系影響最大，受拉腹管在強(qiáng)、中、弱連續(xù)體系下名義應(yīng)力比為1∶1．04∶1．06，受壓腹管承載能力安全度在強(qiáng)連續(xù)體系下最高，弱連續(xù)體系下最低。(3)中連續(xù)體系由于只有上弦管(橋面板)連續(xù)，且橋面板需承受彎矩作用，使混凝土拉應(yīng)力達(dá)到8．2MPa，為三種體系下最大值，但仍可通過超筋、使用鋼纖維混凝土、切縫等措施保證混凝土使用性能滿足要求。(4)強(qiáng)連續(xù)體系下橋梁一階自振頻率略大于中連續(xù)體系和弱連續(xù)體系，分別為0．43Hz、0．42Hz、0．4Hz;弱連續(xù)體系穩(wěn)定安全系數(shù)明顯弱于中連續(xù)體系和強(qiáng)連續(xù)體系對(duì)應(yīng)值。(5)總體上，中連續(xù)體系下主梁下弦管和腹管受力最均衡，一階自振頻率和穩(wěn)定安全系數(shù)與強(qiáng)連續(xù)體系接近，考慮到可通過構(gòu)造措施和材料解決負(fù)彎矩區(qū)混凝土使用性能的問題，最終選擇中連續(xù)體系成為鋼管混凝土桁梁橋墩頂約束方式最為合理。

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作者：孫才志 牟廷敏 古銳 單位：四川交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院