大跨度连续刚构柔性拱组合桥式研究(2)

60铁道科学与工程学报　　　　　　　　　　　　　　　2004年9

月

大,表现形式复杂。收缩徐变次内力对结构受力影响有利有弊。为使结构受力安全可靠,必须研究收

缩徐变对结构长期受力行为的影响。21311　钢管混凝土拱肋钢管与管内混凝土应力重

分配

钢管混凝土拱受施工过程影响,钢管自重由其自身承担,后期灌注的管内混凝土自重由钢管与先期灌注并已凝固达到一定强度的混凝土共同承担,最终钢管混凝土形成整体截面共同承受外荷载。在荷载作用下,钢管混凝土结构中的钢材与管内混凝土共同受力,通过变形协调,根据各自的刚度进行分配。但受后期的收缩、徐变影响,管内混凝土要发生收缩、徐变,在外力不变的情况下,混凝土所承担的轴力及弯矩随收缩徐变的发展逐步减小,而钢管所承担的轴力及弯矩有所增加,引起钢管与混凝土应力重分配[6-8]。

当钢管截面占整个拱肋截面的2%～8%左右时,从施工至竣工后的3年内,混凝土收缩、徐变使钢管内混凝土的压力相对卸载30%～3%,钢管压力相应增大[1]。钢管与管内混凝土内力的相对变化与拱肋含钢量密切相关,因此,采用较小管径钢管、增加钢管根数、适当增大钢管壁厚等措施以提高拱肋截面的含钢量,可以有效减小收缩、徐变对拱肋截面内力的不利影响。另外管内混凝土施工时适当加入微膨胀剂,也是有效措施之一。本桥拱肋采用4肢<750mm的钢管,管内灌注微膨胀混凝土。21312　拱脚负弯矩及拱顶正弯矩的改善

主梁发生收缩徐变时,将使主墩顶与拱脚产生往主跨方向的水平变位,拱脚受到往主跨方向的水平推力,拱肋上拱,拱脚的负弯矩与拱顶的正弯矩均有所减小。

21313　梁拱内力重分配

通过分析比较,徐变系数、收缩应变终值由小变大时,主梁根部截面压应力有所改善,拱脚及吊

杆的轴力有所增加,总体说来,其变化幅度较小。如徐变终值从115增大至215时,主梁根部截面压应力变幅313%;拱脚轴力变幅417%。不同徐变系数、收缩应变终值对下部结构受力影响较大,边主墩承台底的水平力与弯矩均随徐变系数、收缩应变终值增大而增大,墩身及桩基础配筋面积亦需加大。

2)拱肋管内混凝土计与不计收缩、徐变对结构影响分析

拱肋管内混凝土与普通混凝土结构受周边环境影响时不同,与不计管内混凝土收缩徐变相比较,当计管内混凝土发生收缩、徐变时,拱肋产生向下变位,吊杆轴力减小,拱轴压力下降,主梁承担的竖向力增大,因此,拱肋截面的强度安全系数与整体稳定性均有所提高,梁体根部截面压应力有所增大。另一方面,计管内混凝土收缩、徐变,使得拱肋钢管与混凝土产生应力重分配,在总轴力减小的情况下,钢材应力反而增大。

对于减小收缩徐变引起梁拱内力重分配影响,主要措施是减小主梁的初始变形,通过调整施工过程中预应力索的张拉吨位及张拉顺序来改善主梁截面应力状态。另外,减小拱肋及吊杆的竖向刚度,增强其竖向变位的适应能力,也是减小因收缩徐变引起梁拱内力重分配的措施之一。21314　边主墩承台底产生较大的水平力及弯矩本桥连续刚构柔性拱结构体系,下部结构受力表现与连续刚构类似,在混凝土收缩徐变与体系降温影响下,边主墩桩基承受偏向大跨的弯矩。这部分的收缩徐变次内力与边主墩抗推刚度成正比,减小墩身抗推刚度是减小收缩徐变对下部结构影响的最有效措施之一。另外,主梁合拢前,在合拢口两侧的主梁断面上施加一定的水平对顶力,以抵消边主墩顶后期因收缩徐变产生的变形。214　竖向均布荷载作用下吊杆、拱、梁受力比值分析21411　吊杆受力比值

如图6所示,对全桥桥面施加竖向均布荷载

q,竖向荷载直接作用在主梁上,使主梁、吊杆、拱

连续刚构柔性拱结构,主梁自悬臂施工至合

拢,梁体的竖向初始变形均以下挠为主。成桥后,受收缩徐变影响,主梁继续下挠,但此时变形受到吊杆约束作用。因此,收缩徐变的发生,使得吊杆轴力增加,拱肋承受荷载增大,主梁截面弯矩及应力均有所减小,收缩徐变引起梁拱内力的重分配。因此,混凝土组合桥式结构必须考虑收缩徐变对结构受力的影响。在此重点考虑以下两方面因素。

1)不同收缩徐变系数对结构影响分析考虑到徐变系数的变异性[9],对徐变系数终极值分别取115,210,215以及对钢管内混凝土分别计与不计收缩徐变等多种情况进行包络计算。

肋发生变形,根据其各自的刚度,按变形协调进行分配。在该均布荷载作用下,跨中范围吊杆力增加较大,靠近拱脚附近的吊杆力增量相对较小,一个主跨全部吊杆力增量占该主跨范围所施加的总竖向荷载(q×275)的比值η1=42187%。21412　梁拱截面受力比值

在竖向均布荷载q作用下,梁拱截面受力如

第2期　　　　　　　　　　　　罗世东,等:

大跨度连续刚构柔性拱组合桥式研究61

图7所示

。

216　结构动力特性分析研究

自振特性计算结果见表1。

表1　前10阶自振特性计算结果

Table1Thecalculateresultofthefirst10steps’self2vibrationcharacteristic序号

12345678910

图6　吊杆、拱、梁受力比较桥面加载图(单位:cm)

Fig16Theloadcomparisionamonghanger

rod,rod,archand

beam

自振频率/Hz

01341601349801538701555101636501744801787011013111036811165振型主要特点拱反对称横弯拱对称横弯

拱梁反对称竖弯+拱梁纵飘

拱梁反对称横弯拱梁对称横弯拱对称横弯拱对称横弯拱梁对称竖弯拱梁反对称竖弯217　极限承载能力分析

图7　竖向均布荷载q作用下梁拱内力图(单位:cm)

Fig17Theinternalforcedrawingofthebeamandarch

undertheverticaluniformlydistributedloadq

　　整个结构跨中截面总效应弯矩为M0i=43424

+9068+9008×5412=54072516(kN?m)。

拱顶截面弯矩分配系数:

uia=9068/(9068+43424)×100%=1713%

主梁跨中截面弯矩分配系数:b

ui=43424/(9068+43424)×100%=8217%。从上述计算结果可以看出,在竖向均布荷载作用下,结构跨中截面以上的总弯矩M0i已转化成为拱肋的压力与主梁内的拉力,充分体现了梁拱组合结构受力的优越性。由于拱肋相对较柔,梁体中所产生的弯矩远大于在拱肋中所产生的弯矩。215　材料弹性模量变化分析研究

在一般桥梁结构分析中,材料的弹性模量变化对结构受力影响很小,对于刚构拱组合结构,当结构中不同部位的材料弹性模量发生相对变化时,梁拱受力分配会发生变化,因此需要对这种影响进行分析。分别将拱肋、梁部及墩柱基础弹性模量变化±10%,取最不利组合,通过分析比较,当拱肋弹性模量减小,主梁及下部结果弹性模量增加时,主梁受力稍有增加,拱肋及吊杆受力略有减小;主梁及下部结构弹模增大,边主墩承台底水平力与弯矩有一定变化,相比而言,导致配筋量增加较大,但不控制设计。因此可以认为,梁拱及下部结构弹模在一定范围变化,对梁拱受力影响很小,无明显变化。

考虑材料非线性影响,建立空间模型,分析结构极限承载能力[10,11]。本桥主拱的反对称侧倾失稳是刚构拱的最终屈曲形式。在考虑初始缺陷的条件下,刚构拱最大承载能力为51975×200kN/m,失稳时拱顶的横向位移达115cm,结构安全系数在215以上。218　结构非线性分析

通过分别建立空间线性模型与非线性模型分析,在恒载与活载作用下,结构只进入几何非线性,材料非线性因素尚未体现[12,13]。这种情况下,拱肋上下钢管的轴力增加不到线性计算的2%,腹杆拉、压轴力绝对值大约增加了4%,吊索应力的增加也在2%幅度范围以内。非线性引起的主梁跨中弯矩增加幅度大约3%,但引起的墩身截面的弯矩变化最大已达11%,在设计中必须予以考虑。219　结构抗震分析

根据桥址处的地质资料,该场地土为II类场地土,采用反应谱法进行分析[14,15]。取前200阶振型进行叠加,由于地震动传播是沿某方向进行的,地震波不可能在桥梁的纵、横向同时达最大,因而计算时纵向与横向不同时输入地震波,并假定地震波的主方向与桥梁的纵(或横)重合,共进行了以下2种工况的计算。

工况1:纵(顺桥)向输入+竖向输入;工况2:横桥向输入+竖向输入。其中竖向反应谱值取水平向的015倍。

分析结果显示桩基础与承台减缓了地震对桥梁结构的内力反应,桥梁上部结构各构件承受的地震内力总体较小,结构满足抗震设计要求。2110　车桥振动响应分析

对列车2桥梁建立整体空间模型,并以不同车速过桥时对车桥振动响应进行分析[16]。在设计行车速度内,货车(含单、双线行车)、客车(含单、双线行车)或客货列车同时通过桥梁时,列车行车的安全性有保证,车辆横、竖向舒适度指标均在“良好”

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[7]蒋彦征,李国平1预应力混凝土梁拱组合桥受力分析

[J]1华东公路,1999,(6):3-51

JIANGYan2zhong,LIGuo2ping1Theloadanalysisofthepre2stressedconcretebeam-archcompositebridge[J]1EsternChinaHighroad,1999,(6):3-51[8]谢肖礼,秦　荣,彭文立,等1钢管混凝土劲性骨架拱

桥收缩徐变影响理论研究[J].中国工程科学,2001,(3):80-841

XIEXiao2li,QINRong,PENGWen2li,etal1TheoreticalanalysisofcreepandshrinkageeffectsinSRCarchbridge[J].EngineeringScience,2001,(3):80-841

[9]韩林海1钢管混凝土结构[M].北京:科学出版社,

20001

HANLin2hai1Concrete2filledsteeltubestructure[M].Bei2jing:SciencePress,20001[10]奉龙成,汪　宏,赵人达1非线性分析方法及其工程

应用2钢筋混凝土拱桥的面内极限承载能力计算分析[J].工程设计CAD与智能建筑,2002,(5):28-321FENGCeng2long,WANGHong,ZHAORen2da1Non2lineranalysismethodengineeringapplication—thesurfaceulti2mateloadcapacityanalysisofthereinforcedconcretearchbridge[J]1EngineeringDesignCADandIntellectualArchi2tecture,2002,(5):28-321

[11]沈尧兴,赵志军,华旭刚1大跨度钢管混凝土拱桥的

稳定性分析[J]1西南交通大学学报,2003,(6):655-6571

SHENRao2xing,ZHAOZhi2jun,HUAXu2gang1Stabilityanalysisoflong-spanarchbridgeofconcrete-filledsteeltubes[J]1JournalofSouthwestJiaotongUniversity,2003,(6):655-6571[12]叶梅新,王　斌1大跨度公铁两用结合梁斜拉桥极限