鋼管混凝土桁架拱橋橫向偏移時的穩定性分析

胡啟升

(川鐵國際經濟技術合作有限公司，四川成都610032)

1 概述

1.1 橋式結構

大橋位于川西的V型河谷地區，由主橋和引橋兩部分組成，主橋結構形式為中承式鋼管混凝土桁架拱，計算跨度200m。設計荷載:汽－超20級，掛－120級，人群3.5 kN/m2;設計車速:40 km/h;地震烈度:7度(按8度設防)。橋面凈寬24.1m，其中行車道寬15.0m，橋梁縱、橫坡分別為1%和1.5%。

拱軸線為懸鏈線，拱軸系數為1.756，矢跨比為1/4.5。拱肋采用桁架式，豎向高度為3.5m，跨度為1.8m，上、下弦桿由兩根直徑為750mm的鋼管，鋼管通過綴板組成啞鈴形斷面，再通過豎向腹桿和斜腹桿組成空間桁架結構，拱肋間距17.5m，上下弦管管壁厚度為12mm，綴板厚度為16mm，腹桿均為直徑為351mm、厚10mm的無縫鋼管，鋼管內填充C40微膨脹混凝土;在拱軸與橋面相交段部位的拱肋為實心截面，其內填充C50混凝土;橋面系至拱腳段，為防止鋼管拱肋銹蝕和防止漂浮物撞擊，采用空心箱形結構，外包C50混凝土。為了保證拱肋的橫向穩定性，拱肋之間設置11道風撐，其中橋面以上及橋面以下實心段各設置7道和2道空鋼管構成的桁架梁風撐，拱腳以上設置鋼筋混凝土K撐2處。拱肋采用節段預制懸吊拼裝，每肋分七段預制。安裝從兩岸上、下游拱肋同步對稱進行。空管合龍后分節段灌注混凝土。吊桿橫梁及立柱橫梁為部分預應力混凝土結構。吊桿為平行高強鋼絲束，外套PE防護材料。橋式結構見圖1所示。

1.2 大橋施工及成橋狀態

該橋在吊裝安裝階段，以吊裝節段接頭處吊桿中心線測量，橋軸線滿足設計要求;灌注混凝土之后，橋軸線偏移最大位移136mm，約為跨度的1/1 600。橋面板吊裝完成之后，測量結果基本未發生變化。三個月后，經檢測后發現，下游拱肋仍向上游偏移;上游南岸拱肋也向上游偏移，上游北岸拱肋向下游偏移;南岸上下游拱肋均向上游偏移，且偏位大的均集中在4#～12#吊桿，上游10#偏位106mm，下游8#偏位128mm。測量橋軸線偏位如圖2所示。

圖1 橋式結構

圖2 拱肋變形(mm)

2 檢算依據

《公路橋涵設計通用規范》［1］(JTJ 021－89);《鋼－混凝土組合結構設計規程》［2］(DL/T 5085－1999);《大橋設計施工文件》;《大橋施工及竣工檢測報告》。

3 建模及結構分析

3.1 結構計算圖示

根據該橋的橋梁結構特性，采用梁單元模擬上、下弦管鋼管混凝土桁架結構和桁架之間的連接系，鋼管拱肋之間綴板采用梁單元模擬單位長度上的綴板剛度作為拱肋之間的連接剛度。鋼管混凝土主桁結構和橋面系結構之間采用桿單元連接。主桁單元和實腹填充混凝土拱腳之間過渡點采用剛性連接，將節點自由度約束一致。全橋共2603個單元，節點1122個，模型見圖3。

圖3 結構模型

3.2 結構分析

3.2.1 荷載分析

(1)重力:按照結構實際使用的材料并對應規范參數計算結構重力。

(2)活載:分析過程中按照全跨滿載和偏載，以及半跨滿載和偏載的活載工況對結構進行活載加載，而后計算得到吊桿拉力，換算為吊桿處的節點荷載。活載結構加載圖見圖4～圖7。

圖5 活載偏載滿載加載

圖6 活載正載半載加載

圖7 活載偏載半載加載

(3)風荷載:按照《公路橋涵設計通用規范》［1］(JTJ021－89)中2.3.8條計算結構風荷載。按照各個桿件的實際截面面積施加為單元均布力。

圖8 風荷載加載

3.2.2 工況分析

分析過程中按照全跨滿載和半跨滿載的活載工況進行加載，分考慮風荷載時的穩定性和不考慮風荷載時的穩定性兩大類計算。

3.2.2.1 穩定分析工況

工況1:結構恒載+汽車活載(正載，滿載)

工況2:結構恒載+汽車活載(偏載，滿載)

工況3:結構恒載+汽車活載(正載，半載)

工況4:結構恒載+汽車活載(偏載，半載)

工況5:結構恒載+汽車活載(正載，滿載)+風荷載

工況6:結構恒載+汽車活載(偏載，滿載)+風荷載

工況7:結構恒載+汽車活載(正載，半載)+風荷載

工況8:結構恒載+汽車活載(偏載，半載)+風荷載

3.2.2.2 應力分析工況

汽車荷載按照汽－超20影響加載。

工況9:結構恒載+汽車活載(正載)

工況10:結構恒載+汽車活載(偏載)

工況11:結構恒載+汽車活載(正載)+風荷載

工況12:結構恒載+汽車活載(偏載)+風荷載

3.2.3 整體穩定性分析方法

橋面系以外力形式作用于拱肋，略去其對拱的結構約束作用;結構整體穩定性計算按照考慮了結構初始幾何缺陷(按照實際測量結果對拱軸線進行修正)的二類穩定方法對結構進行幾何非線性計算。結構穩定性系數定義為，該工況下結構可變荷載的臨界值和可變荷載加載值的比值。

4 計算結果

4.1 穩定計算結果

表1 整體穩定性計算結果

4.2 應力計算結果

4.2.1 主拱圈應力

主桁架采用12mmQ345鋼管混凝土，設計彎曲容許應力為210MPa，從各個工況計算出的應力值來看，主桁架結構鋼管應力除變截面點和主桁架和風撐結合位置外，其余各點均滿足設計要求。拱腳段外包混凝土應力在各個工況下均為壓應力，最大值為－14.1MPa，滿足C50混凝土抗壓設計強度值要求。

4.2.2 吊桿應力

從吊桿計算應力來看，在正載作用工況時(工況9和工況11)，吊桿應力比較均勻;在偏載和有風作用時(工況10和工況12)吊桿應力分布差異性比較大;在同時有偏載和風荷載作用時(工況12)，為吊桿最不利工況。在此工況下，吊桿應力最大值出現在短吊桿處(14#吊桿)，最大值為780MPa，吊桿最小應力也出現在此工況下，另一側短吊桿(14#吊桿)幾乎松弛。此工況也為結構整體穩定的不利工況，應該予以控制。從強度角度來看，設計中吊桿采用φ5高強鋼絲，抗拉極限強度Rby=1670MPa，14#吊桿軸力安全系數為2.14，其余各吊桿安全系數均大于2.5，吊桿強度有較大富余，滿足設計要求。

5 計算結果分析

5.1 動力及穩定性分析

對主拱考慮結構初始缺陷的幾何非線性二類穩定分析，并綜合考慮橋跨結構拱腳的實腹段和外包混凝土段作用情況下，結構先發生橫向失穩。已發生的結構變形對結構的整體穩定性影響較小，且結構現在的幾何線形在各種工況下的整體穩定性安全系數最小值為26.1，大于4，結構整體穩定性良好。

5.2 靜力分析

主桁架計算最小安全系數為1.5;吊桿計算最大應力為450MPa，安全系數最小為3.7，大于規范要求的2.5要求。因此，主桁架、混凝土及吊桿應力滿足規范要求。

由于活載和風荷載同時出現極值的概率非常小，規范上無特別明確的組合規定，故活載和風荷載組合計算結果僅作為了解結構安全系數大小的資料，不作為判斷結構是否滿足規范要求的依據。

從各個工況計算出的應力值來看，考慮風荷載時，主桁架結構鋼管應力除變截面點和主桁架和風撐結合位置外，其余各點均滿足設計要求。拱腳段外包混凝土應力在各個工跨下均為壓應力，最大值為－14.1MPa，滿足C50混凝土抗壓設計強度值要求。

在橋跨結構承受偏載和風荷載時，結構處于最不利工況，個別吊桿出現最大拉應力780MPa，安全系數為2.14，其余吊桿安全系數均大于2.5，吊桿強度有較大富余，滿足設計要求。

6 處理措施

6.1 主拱圈

根據施工監測和加載試驗報告，該橋結構總體豎向剛度滿足設計要求，結構總體工作基本正常;動載試驗和空間計算表明目前全橋動力特性及動力響應正常;靜載試驗表明大橋結構目前基本處于彈性工作狀態，空間靜力計算表明拱圈仍有較大富裕量。但靜載試驗時，拱肋跨中下弦下緣應力實測值大于計算值，可能是跨中段部分鋼管內混凝土與鋼管有所脫空，造成該處鋼管混凝土剛度下降，應力增加，必須采用特殊裂縫膠進行灌注，填充鋼管與混凝土間隙。

6.2 橋面系

對破損橋面鋪裝進行修復或局部更換，以避免車輛在橋上跳車造成對結構的過大沖擊;對伸縮縫內雜物進行清除，保證伸縮縫正常工作。

6.3 大橋檢測

對大橋各部位質量狀況進行全面檢查，針對發現的問題，及時采取修復、補強和加固措施，保持大橋處于良好使用狀態。同時，為了全面掌握主拱圈的線型和橫向變位，在主橋拱肋上布置永久測量點，并在岸側建立永久控制測量網，對主橋拱肋橫向位移和線型進行定期測量。建立大橋的工作狀況檔案，以便根據拱肋橫向變形發展狀態作進一步評價分析。

6.4 運營措施

從橋梁結構運營現狀來看，結構長期承受超載和偏載車輛，部分吊桿長期處于高應力狀態下，吊桿疲勞斷裂和應力銹蝕問題不容忽視，應整治橋面交通避免超載車輛通行并禁止超載車輛長期滯留橋上。

［1］ JTJ 021－89公路橋涵設計通用規范［S］

［2］ DL/T 5085－1999鋼－混凝土組合結構設計規程［S］