雙拱肋在銅瓦門大橋中承式拱橋中的應(yīng)用

雙拱肋在銅瓦門大橋中承式拱橋中的應(yīng)用

1中承式鋼管混凝土雙肋系跨海橋跨過海設(shè)計(jì)銅瓦門大橋是浙江省象山縣石浦市東門島與大陸相連的陸路島連接工程，通過銅瓦門海峽。局部臺風(fēng)頻繁，風(fēng)勢巨大。橋下水深超過50m，水面寬度為200m，兩岸坡度大，巖石穩(wěn)定，巖墻裸露。根據(jù)兩岸交通需要及通航要求,該橋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如下.根據(jù)以上自然條件和要求,橋梁設(shè)計(jì)全長292m,主跨為中承式鋼管混凝土X型雙肋拱橋一跨過海,跨徑238m,矢高49.35m,矢跨比1/4.823;拱軸線為修正的二次拋物線,拱腳標(biāo)高為11.5m,橋面最大高程為30.35m.吊桿間距10m,孔徑布置為2×13m+24×10m(吊桿及撐桿支承)+2×13m=292m(如圖1所示).2主拱設(shè)計(jì)2.1橋面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)鋼管混凝土拱橋跨度超過200m時(shí),拱肋一般采用鋼管混凝土空間桁肋或鋼管混凝土勁性骨架箱肋(如圖2所示).此種拱肋的橫向抗彎剛度較大,側(cè)向穩(wěn)定承載力高,但桿件數(shù)量繁多,施工較復(fù)雜,弦桿、腹桿、平聯(lián)之間的焊接工作量亦較大,而且拱肋橫向較寬,占用較大的橋面有效寬度或加大了橫梁的跨度,適于寬橋.銅瓦門大橋主跨238m,橋面寬僅10m,如果采用上述拱肋,則會(huì)顯得結(jié)構(gòu)繁雜,空間視覺效果差,失去了橋梁美感,而且從經(jīng)濟(jì)上考慮也不合理,因此該橋設(shè)計(jì)采用了較為合理的僅由兩根鋼管混凝土弦桿和鋼管腹桿組成的平面桁架拱肋.根據(jù)強(qiáng)度、疲勞及面內(nèi)穩(wěn)定計(jì)算,弦桿采用ue001φ1150mm×12(14、16)mm(16Mnq)鋼管,中心距3.5m,內(nèi)灌50#混凝土;腹桿采用ue001φ510mm×10mm(16Mnq)鋼管.根據(jù)受力要求和橋梁總體布置,豎腹桿間距為5m.2.2橫向聯(lián)系設(shè)計(jì)對于大跨度肋拱橋,橫向穩(wěn)定問題突出.該橋的寬跨比為1/23.8,所處環(huán)境風(fēng)力較大,采用合理的橫向連結(jié)結(jié)構(gòu)是解決橫向穩(wěn)定問題的關(guān)鍵.該橋?yàn)橹谐惺焦皹?采用X型雙肋拱要比平行雙肋拱具有明顯的優(yōu)勢,為此兩拱肋設(shè)計(jì)為內(nèi)傾形成17°夾角,拱腳相距17.456m,拱頂中心線處相距2.703m.這樣,加大了拱腳的橫向距離,拱頂部分的橫向聯(lián)系長度縮短,剛度增大,既節(jié)省了材料,又減小了結(jié)構(gòu)自重而提高了整體穩(wěn)定性.拱肋的橫向穩(wěn)定主要由橫向聯(lián)系來保證,特別是該橋采用平面桁架拱肋,其橫向抗彎剛度較小,因此該橋的橫向聯(lián)系布置顯得尤為重要.考慮到既要保證拱肋的局部和整體穩(wěn)定性,又不能因過多、復(fù)雜的橫向聯(lián)系使結(jié)構(gòu)顯得繁雜而令人壓抑,經(jīng)計(jì)算分析和綜合比較,該橋橫向聯(lián)系設(shè)計(jì)如下:(1)橋面以下拱肋之間設(shè)兩處由平面桁架組成的K字形連接系;(2)橋面行車凈空以上每10m設(shè)置單片平面桁架為橫撐連接兩拱肋,共17處,僅在靠下兩端的9#橫撐(拱頂處為1#橫撐)處增加斜撐并形成K字形連接系;(3)在主梁與拱肋相交處設(shè)一高度為2m的工字形鋼板梁與拱肋相連,并作為支撐橋面的橫梁.其中,桁架橫撐的弦桿為ue001φ900mm×10mm(16Mnq)鋼管,腹桿為ue001φ360mm×8mm(16Mnq)鋼管.3心柱錨索吊桿安裝采用間距10m吊桿吊起預(yù)制的部分預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁,在橫梁上安裝預(yù)制鋼筋混凝土空心板.焊接橋面板、橫梁的預(yù)留鋼筋后,澆注混凝土接縫,最后澆10cm厚整體混凝土鋪裝,使橋面板與橫梁連成整體共同受力.其中空心板厚度為65cm,橫梁為矩形空心截面,高1.6m,寬60cm.吊桿為37根ue001φ7mm高強(qiáng)鋼絲,外層包熱擠壓PE護(hù)套防護(hù),兩端為冷鑄錨.吊桿一端吊于拱肋頂,一端錨在橫梁底,與拱肋在同一平面內(nèi).4全球穩(wěn)定分析4.1結(jié)構(gòu)模型分析目前進(jìn)行拱橋整體穩(wěn)定分析常采用以下兩種計(jì)算模型:一種為只把拱肋弦桿、腹桿、橫向聯(lián)系生成空間梁單元,而橋面板、吊桿等不加入計(jì)算模型(如圖3),橋面等自重和活載作為集中力加在吊桿與拱肋的連接處;另一種模型是在前一種模型的基礎(chǔ)上,將橋面、吊桿等均作為梁單元加入模型(如圖4).顯然第二種模型更能真實(shí)地反映結(jié)構(gòu),因?yàn)榈鯒U和橋面對拱肋變形有約束作用,提高了拱肋的面內(nèi)和面外穩(wěn)定性.吊桿非保向力作用的大小與橋面的剛度有關(guān),對于橋面相對拱肋剛度較大的體系,可使穩(wěn)定安全系數(shù)提高1倍以上.以本橋?yàn)槔?在相同的工況下,采用如圖3、4所示的兩種模型進(jìn)行的穩(wěn)定分析,模型I的穩(wěn)定安全系數(shù)λ=3.41,而模型Ⅱ的λ=4.10,后者比前者的λ提高了20%.特別指出的是橋面和吊桿的約束作用使得失穩(wěn)模態(tài)由反對稱變?yōu)閷ΨQ.計(jì)算模型中,拱肋弦桿單元的截面特性采用鋼管和混凝土的換算截面特性,其余構(gòu)件單元的截面特性均按實(shí)際取值.4.2心荷載+風(fēng)荷載+車載偏心加載+汽車半橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析按照本橋拱肋施工程序,施工階段拱肋穩(wěn)定性滿足要求,本文只考慮成橋后運(yùn)營階段拱的穩(wěn)定性.穩(wěn)定分析按以下7種可能的不利工況進(jìn)行:①恒載+風(fēng)荷載②恒載+風(fēng)荷載+二列汽車全橋滿布(偏心)+全橋滿布人群③恒載+風(fēng)荷載+二列汽車半橋滿布(偏心)+半橋滿布人群④恒載+風(fēng)荷載+一列汽車全橋滿布(偏心)+全橋單側(cè)滿布人群⑤恒載+風(fēng)荷載+一列汽車半橋滿布(偏心)+半橋單側(cè)滿布人群⑥恒載+風(fēng)荷載+掛車跨中偏心加載⑦恒載+風(fēng)荷載+掛車1/4跨處偏心加載其中,基本風(fēng)壓為1200Pa,拱肋弦桿、腹桿、橋面均承受相應(yīng)的風(fēng)荷載.二列汽車偏心距為0.55m,一列汽車偏心距為2.10m,掛車偏心距為1.15m,偏心荷載等效為豎向荷載和扭矩,作用于橋面梁單元上.對①～⑦工況進(jìn)行穩(wěn)定分析,得到如表1所列的穩(wěn)定安全系數(shù)及圖5所示模型Ⅲ的失穩(wěn)模態(tài),所有模態(tài)均為反對稱面外失穩(wěn).該橋的穩(wěn)定安全系數(shù)為5.76～6.21,滿足拱橋橫向穩(wěn)定安全系數(shù)大于4～5的要求.4.3拱肋失穩(wěn)模態(tài)及剛度為了進(jìn)一步研究橫向聯(lián)系布置的合理性,把模型Ⅲ中9#橫撐處的斜撐去掉得到模型Ⅱ,在其他橫撐處增加6組K字斜撐得到模型Ⅳ,計(jì)算它們在工況①的穩(wěn)定性.得到模型Ⅱ的穩(wěn)定安全系數(shù)為4.10,失穩(wěn)模態(tài)為正對稱形式(圖4);模型Ⅳ的穩(wěn)定系數(shù)為8.22,失穩(wěn)模態(tài)為正對稱形式(圖6).可見增加斜撐可以明顯提高拱的穩(wěn)定性.從模型Ⅱ的失穩(wěn)模態(tài)可以看出,9#橫撐變形較大,其附近的兩肢拱肋也比拱頂處變形大,說明該處的橫向聯(lián)系相對較弱,從而影響了整個(gè)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)傾能力.在模型Ⅱ上加入9#斜撐后(即模型Ⅲ),明顯減小了該處附近拱肋的變形,使得1/4跨度附近的拱肋變得相對較弱.此模型的失穩(wěn)模態(tài)與模型Ⅱ不同,為反對稱形式,且提高了一階,顯然其穩(wěn)定安全系數(shù)要高,為模型Ⅱ的1.51倍.模型Ⅱ和模型Ⅲ的失穩(wěn)模態(tài)顯示跨中變形相對小一些,說明該處的橫向聯(lián)系較強(qiáng),原因是該處拱肋間距較兩端小得多,橫撐弦桿和腹桿采用相同直徑鋼管,則其剛度要大得多.因此,從失穩(wěn)模態(tài)可知,橫撐本身的剛度太小,不能保證兩肢拱肋共同變形,即此時(shí)的失穩(wěn)是因局部變形過大而引起的.為此,在橫撐之間間隔加入6組斜撐,即模型Ⅳ所示,得到其穩(wěn)定安全系數(shù)為8.22,較模型Ⅱ提高了2倍.從失穩(wěn)模態(tài)可以看出,拱肋失穩(wěn)時(shí)兩肢拱肋基本是共同變形,因此失穩(wěn)主要是由兩肢拱肋作為整體的側(cè)向抗彎能力決定的.由跨中變形較大可以看出,這時(shí)如再加強(qiáng)橫向聯(lián)系的布置,已不能顯著提高其整體穩(wěn)定性了,這可以通過模型Ⅴ(全部橫撐均設(shè)斜撐)的穩(wěn)定計(jì)算予以證明,其穩(wěn)定安全系數(shù)λ=9.10,僅比模型Ⅳ提高了11%,其失穩(wěn)模態(tài)(圖7)更明顯地暴露了最終決定該橋穩(wěn)定性的兩個(gè)區(qū)域,即受行車凈空控制而不能設(shè)橫向聯(lián)系處和拱頂過窄處,在兩者之間失穩(wěn)變形近似直線.因此,此時(shí)若想再提高側(cè)向穩(wěn)定承載力,只有加大拱肋間距.5結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析(1)該橋從經(jīng)濟(jì)、美觀等方面考慮大膽采用了平面桁架拱肋,并通過合理的橫向聯(lián)系布置使該橋穩(wěn)定安全系數(shù)達(dá)到5.76～6.21,滿足拱橋的穩(wěn)定安全系數(shù)4～5的設(shè)計(jì)要求.如果想再提高其安全系數(shù),可以通過增加橫向聯(lián)系達(dá)到.但該橋的橫撐布置已充分發(fā)揮了該布置形式(間距與傾角)拱肋的穩(wěn)定能力,這可從其失穩(wěn)模態(tài)中的各處變形比較均勻看出.(2)類似于該橋的跨度大、寬度窄的拱橋,其側(cè)向穩(wěn)定雖然可以通過合理布置橫向聯(lián)系達(dá)到要求,但其穩(wěn)定系數(shù)最高值卻受到拱肋整體布置的限制.(3)X型雙肋拱雖然比平行雙肋拱更穩(wěn)定,但拱頂間距過小反而會(huì)降低整體穩(wěn)定性,因此應(yīng)采用合理的傾斜角度以達(dá)到最佳的穩(wěn)定性.該橋若要達(dá)到更高穩(wěn)定安全系數(shù),需調(diào)整兩拱肋的傾角.(4)整體穩(wěn)定性分析應(yīng)采用全橋模型,計(jì)及各種結(jié)構(gòu)和約束對穩(wěn)定的影響,特別是吊