摘要: 西安北环铁路西闫特大桥主桥为48m钢管混凝土系杆拱, 结合本桥工程实例, 简要介绍钢管混凝土系杆拱的设计与施工。
关键词: 钢管混凝土系杆拱结构分析
1 前言
钢管混凝土系杆拱由于其具有建筑高度低, 跨径大、易于整体拼装, 正越来越受到人们的青睐, 钢管混凝土结构充分发挥了混凝土的抗压能力及钢材的抗压、抗拉能力, 主要用于承受轴向压力的构件。与钢或混凝土单一材料制成的构件相比, 钢管混凝土结构可提高结构的强度和刚度。
2 桥型方案介绍
西安北环线为一次双线货运铁路, 西闫特大桥主要为跨越西闫高速公路而设, 西闫高速公路为双向4车道, 既有路面宽28m, 线路与高速公路斜交10度。立交净空5.5m。由于受线路坡度及高速公路宽度、净空的限制, 若采用连续梁或简支梁, 桥梁建筑高度较高, 必引起桥长加大, 工程投资增大, 而采用系杆拱不但可以有效降低建筑高度, 缩短桥长, 节约投资, 而且线型美观。故采用48m钢管混凝土系杆拱桥方案。
3 系杆拱构造
计算跨径为48m( 桥全长49.2m) , 矢跨比为1/4.248。拱轴线为二次抛物线方程:y=4fx(L- x)/L, 拱桥理论矢高f=11.3m。两片拱肋之间间距为10.3m。拱肋采用两根Φ65cm的钢管形成哑铃型截面, 高1.5m。两片拱肋间设5根Φ65cm钢管横撑及8根Φ40cm钢管斜撑。钢管内灌注C50微膨胀混凝土。系梁为高2.6m, 宽1.04m, 腹板宽0.5m, 翼缘厚0.5m的工字型断面。吊杆采用55束Φ7mm镀锌钢丝。
4 系杆拱的计算分析
系杆拱属于外部静定, 内部为多次超静定结构。按弹性理论进行分析计算。利用BSAS程序和Sap2000程序进行了平面线性静力计算、空间线性静力计算及动力分析, 采用不同的计算模型来计算各阶段的内力、应力和变形。计算模型见下图。
4.1 计算荷载
(1) 结构自重
(2) 列车活载: 采用“中- 活载”
(3) 列车竖向动力作用: 拱圈及系梁计入列车动力作用, 系数按《铁路桥涵设计基本规范》第4.3.5条规定取值。
(4) 列车横向摇摆力及制动力。
(5) 混凝土的收缩影响。
(6) 温度力的影响。
4.2 平面静力分析
4.2.1 内力计算
平面静力分析主要采用BSAS软件进行计算, 不考虑横梁、横撑、斜撑的共同作用。由于钢管混凝土属于复合材料, 在结构计算中采用等截面、等刚度代换。压缩和拉伸刚度为: EA=EaAa+EcAc弯曲刚度为: EI=EaIa+EcIc式中, Aa、Ia分别为钢管横截面的面积和对其重心轴的惯性矩; Ac、Ic分别为钢管内混凝土横截面的面积和对其重心轴的惯性矩; Ea、Ec分别为钢材和混凝土的弹性模量。
运营状态下控制截面的弯矩及轴力计算结果见下表:
4.2.2 强度、应力检算
系梁既承受拱肋传递的拉力, 又承受恒载及活载分配的弯矩, 按全预应力混凝土构件计算。根据规范要求, 系梁不出现拉应力, 强度安全系数大于2.0, 抗裂安全系数大于1.2。
拱肋主要承受轴力, 按钢筋混凝土构件进行强度及应力检算。在计算中把钢管混凝土折算成相应的钢筋混凝土, 没有考虑钢管的套箍作用, 沿用钢筋混凝土结构的设计理论, 使设计简洁明了。
4.2.3 拱肋稳定性验算
拱肋的稳定性验算分为拱平面内稳定和拱平面外稳定。
(1) 拱肋平面内稳定
该项验算是把拱肋换算为相当长度的压杆, 按承受最大水平推力的中心受压杆件进行检算, 其计算长度Lo按下式计算:
其中: L为拱的跨度; f 为拱的失高; K值按规范中表5.2.13取值。
(2) 拱肋平面外稳定
用横撑联系起来的拱肋, 横向刚度是以整个结构按立体空腹桁架的工作来确定, 用横撑联系的肋拱稳定计算是一个比单独肋拱的计算更为复杂, 采用近似的计算方法, 即将它当做长度等于拱轴长度的平面空腹桁架来分析, 采用拱跨度1/4点处的纵向力作为这个平面桁架的弦杆中的压力。临界力按铁摩辛柯的组合杆件公式计算:
其中: a、h为节间长度及弦杆轴线间的距离; Ip、In为横撑和弦杆对竖轴的惯性矩; Ia为拱轴线长度。
4.3 空间静力分析
空间静力计算采用Sap2000软件来分析, 横梁、横撑、斜撑都简化为杆系单元, 与系梁和拱肋共同作用,形成一空间整体计算模型。由于列车加载方式以及单线加载时偏载作用, 引起扭矩, 受力相对复杂。且空间计算时, 横梁、横撑及斜撑共同参与受力。从本桥计算结果上看, 内力结果相差不大, 这说明, 对于一般中小跨度系杆拱桥, 平面静力分析结果可以满足设计要求。
4.4 空间动力分析
利用Sap2000对本桥进行了动力特性分析, 求出前十阶自振频率。
其中第一振型为拱肋面外对称挠曲振动, 第二振型为桥面系面外对称挠曲振动, 第三振型为桥面系与拱肋上下挠曲振动, 第四振型为桥面系从以上可看出, 系杆拱的前两阶振型均为拱肋面外振动, 第三阶振型才是竖向振动, 所以说系杆拱竖向刚度较大, 根据规范, 简支梁竖向自振频率应不小于no( no=23.58*LΦ- 0.592=2.384Hz) 。本桥满足要求。
5 施工简介
钢管混凝土系杆拱的受力同其施工顺序密切相关。本桥施工采用先梁后拱法, 即先在支架上浇注系梁和部分横梁, 使其先形成受力结构, 以它为施工平台,吊装拱肋、横撑、斜撑, 安装吊杆, 最后安装剩余横梁,调整吊杆力, 铺设桥面工程, 达到成桥状态。
6 体会
钢- 混凝土组合梁结构是利用钢材耐拉、混凝土耐压而结合成整体并共同工作的一种结构形式。与钢或混凝土单一材料制成的构件相比, 钢- 混凝土组合梁结构可提高结构的强度和刚度, 随着先进的泵送混凝土工艺的应用, 钢- 混凝土组合结构特别在大跨度桥梁上将会有更大的发展。
参考文献:
〔1〕陈宝春、李勇钢- 混凝土组合桥梁设计与应用
〔2〕黄乔桥梁钢- 混凝土组合结构设计原理
〔3〕铁路桥涵设计基本规范(TB10002.1- 2005)
