钢管混凝土拱桥的设计探讨

钢管混凝土拱桥的设计探讨

摘 要:钢管混凝土结构问世以后,钢管混凝土拱桥在我同得到迅速的发展,然而,作为一种应用新材料的桥型,钢管混凝土拱桥的理论研究目前还还相对滞后,本文阐述了钢管混凝土拱桥若干设计理论,希望为这种新型材型的拱桥设计提供指导。

关键词:钢管混凝土拱桥 设计分析

钢管混凝土拱桥是我国近年来桥梁建筑发展的新技术,它具有自重轻、强度大、抗变形能力强的优点,比较好地解决了修建桥梁所需的用料省、安装重量轻、施工简便、承重能力大的诸多矛盾,是大跨度拱桥的一种比较理想的结构形式。

1 内力计算

1.1截面计算

钢管混凝土拱桥绝大部分采用无铰拱,其截面计算方法分计入弹性压缩和不计入弹性压缩两部分。不计弹性压缩时,忽略剪力的影响,只计弯矩引起的变形,对于等截面拱,求得的截面内力与刚度无关。考虑弹性压缩后的截面内力与截面的抗压和抗弯刚度有关,弹性压缩使轴压力减小,弯矩增加,对拱的受力不利。因此,不计弹性压缩影响对拱的受力不利。

对于钢管混凝土拱桥,不计钢筋影响时,对结构总的受力影响很小。但是,应该计入钢管的影响,按钢筋混凝土的计算方法和按钢管混凝土的计算方法计算出来的拱肋截面的刚度相差很大。

在变形计算时,钢筋混凝土结构规定采用0.67EI,主要是考虑混凝土截面的开裂对截面刚度削弱的影响;而钢管混凝土构件,由于受钢管约束,不易开裂,因此可以不考虑折减。

1.2荷载横向分布计算

钢管混凝土拱桥活载计算时以单根拱肋为计算模型,首先应计算横向分布系数。

对于双肋拱,一般采用杠杆法,将横梁视为杠杆,且将横梁视为伸臂梁的分配方式较为合理,但影响不是很大。

由于钢管混凝土拱桥的拱肋、立柱或吊杆的截面均较小,因此可以将拱肋轴线作为计算支点。

拱肋的横撑在设计计算时主要考虑拱肋的横向稳定问题,但实际上横撑还对

活载横向分布起作用,作用大小取决于横撑的竖向惯距和间距。不计该影响时,活载的实测值一般小于理论值。

对于多肋拱,弹性支承连续梁是一种常用的有效的方法。三肋拱的横梁在桥面系中为主要受力构件,一般而言,不可将其刚度视为无穷大而采向尤其是中拱肋,否则误差会很大。

1.3温度、混凝土收缩、徐变的计算取值

对超静定钢管混凝土拱桥,温度、收缩、徐变均会产生内力。当结构处于弹性阶段时,钢管混凝土拱桥与圬工拱桥、钢筋混凝土拱桥在计算以上内力时主要是截面刚度和上述荷载取值。至于拱脚的位移计算,其取值与其他拱桥相同。

(1)温度荷载取值

桥梁的温度应力包括年均温差、聚变温差和日照温差。年均温差为线性温度问题,聚变温差和日照温差为非线性问题,它一般分解为“等效线性温差”和“等效非线性温差”,前者产生内力、应力,后者只产生应力(自应力)。钢管混凝土拱桥目前设计计算一般仅考虑年均温差的计算,即关键是基准温度(合拢温度)的取值与年均计算温度的取值。

在温度内力计算时,建议取空钢管合拢后进行管内混凝土灌注的当月月平均温度加上4～5度作为计算的合拢温度,取多年极值温度出现当日的日平均温度为年均计算温度。

(2)混凝土收缩、徐变计算取值

目前因缺乏研究,一般钢管混凝土拱桥仍能采用钢筋混凝土的计算方法。收缩引起的内力,采用降温15-20度的方法计算,徐变仅计徐变对温度内力、收缩内力的调整作用,即温度变化的内力乘以0.7的徐变温度系数,混凝土收缩的内力乘以O.45的徐变影响系数。

2 应力计算

钢管混凝土拱桥采用自架设的施工方法,拱肋通过不断增加截面组成和面积而形成,同一拱肋中各截面的受力不同,同一截面中各弦管的内力不同,同一弦管中钢管与混凝土的应力历史也不同。进行应力计算就要从空钢管架设开始,跟踪结构的应力历史。应力验算原则是钢管应力和混凝土应力不大于各自材料的容许应力。

应力计算工作量大,只能采用计算机分析。采用通用程序分析时,有限元计算模型有两种,一种是采用全断面的杆单元,架设空钢管到管内混凝土开始形成强度前为钢管杆件,其后将钢管混凝上作为一个杆件,计算出内力后,再根据钢管和混凝土的刚度分配其应力。另一种计算方法是将钢管与混凝土各作为一个杆单元,

若考虑二者完全粘结,则在节点处完全固结,否则采用铰接或采用无几何尺寸的联结单元。

除了上述荷载应力外,在钢管混凝上拱桥计算中还要考虑钢管和混凝土由于受截面非线性温差、混凝土徐变、收缩引起的截面自应力。这种自应力在截面上自相平衡,不产生内力,不能通过求内力的方法求得。

3 设计验算方法

钢管混凝土拱桥由于缺乏相应的设计规范,目前常用的验算方法有将其视为钢管与混凝土的简单组合的容许应力法和极限状态法,也有采用钢管混凝土构件经过研究,钢管混凝土结构应该考虑钢管对核心混凝土的紧箍力作用,而且对于超静定结构,除考虑截面的塑性发展之外,还应考虑结构的塑性发展。至于结构达到极限承载力时变形是否太大,则应由结构的变形验算来控制的极限状态法。

3.1拱肋设计验算内容

(1)拱肋构件局部受力验算

对由多根钢管混凝土组成的拱肋除整体承载力验算外,尚需进行组成构件的局部承载力验算,以防局部破坏。除拱肋局部验算外,对其余构件均需做局部验算。

(2)拱肋面内整体验算

面内极限承载力是二类稳定问题,它小于一类弹性稳定临界荷载,因此钢管混凝土拱肋整体验算只需进行二类稳定问题的验算,但不应将面内一类弹性稳定系数称为安全系数,以免产生误解。

分析表明,拱在反对称荷载作用下的二类稳定承载力小于对称荷载作用下的二类稳定承载力。对于拱桥的设计验算,可将活载按反对称布置、按控制截面最大弯矩布置、按拱脚水平推力最大布置,求出拱的内力,并选出最不利内力。将拱项与拱脚中较大的弯矩作用在等效简支柱的两端,求出等效简支柱的极限承载力,并将其与拱的最不利内力比较,就可得出拱肋的二类稳定的安全系数。

(3)面外稳定性验算

拱的面外稳定时一类失稳的特征较为明显,即一类稳定承载力较接近于二类稳定承载力。可采用有限元程序求特征值的方法进行面外一类弹性稳定系数的计算,由于没有考虑材料的非线性和几何非线性影响,通常稳定系数要求取4.0以上。

(4)变形极限状态

钢筋混凝土拱桥的变形控制条件是L/800,钢管混凝土拱桥的变形控制条件应比钢筋混凝土拱桥更宽,否则其高强材料性能难以发挥,在钢管混凝土拱桥设计

规范颁布前,可先按L/800进行控制验算。

3.2其他验算内容

钢管混凝土拱桥的桥面系设计计算与验算同一般钢筋混凝土或预应力混凝土梁式桥。

吊杆考虑到反复作用的疲劳因素,参考斜拉桥规范,安全系数一般取2.5。有时为加强其刚度,将安全系数取到4.0。

系杆内高强钢丝一般采用2.0～2.5的安全系数。

对下承式刚架系杆拱的拱墩固结点,其受力复杂,需对局部采用空间有限元进行应力分析,必要时应配合有限元分析进行模型试验。

对中承式拱桥,桥面系的整体刚度较小,应验算其自振频率是否满足要求。

4 总结

随着钢管混凝土拱桥在我国的快速发展,对其理论研究也得到了快速发展,但是钢管混凝土拱桥作为一种新近发展起来的桥型,特别是组合材料的运用,还存在有很多问题需要进一步研究。

参考文献:

1.钟善桐.钢管混凝土结构(第三版).北京:清华大学出版社.2003.

2.陈宝春,杨亚林.钢管混凝土拱桥调查与分析[J].世界桥梁.2006(2).