下承式拱梁組合橋結構靜力性能研究

冉磊

摘要：以西安市東長安街橋為例，采用SAP2000有限元程序，對下承式拱梁組合橋的進行了靜力特性收縮徐變分析以及預應力的影響，得出如下結論：隨著施工階段的推移，收縮徐變使得鋼管拱截面壓應力變化逐漸增大;另外預應力對橋的撓度影響很大，施加預應力后，跨中截面向上拱起，它對橋梁的預拱度貢獻很大。

關鍵詞：鋼管混凝土;有限元方法;結構性能;收縮徐變;預應力

Research on the Structural Performance of Half-through Arch Beams Combined System Bridge

Ran? Lei

隨著國家經濟的快速發展，我國的橋梁事業也得到了迅猛的發展。拱橋是一種理想的能充分發揮材料受壓性能的橋型。以往由于大跨度拱橋施工所需拱架費用極高，因而限制了大跨度拱橋的發展;同時由于大跨度拱橋產生的水平推力極大，所以往往作為跨越山澗峽谷的橋型，依賴山體來承受拱推力。隨著鋼管混凝土結構的出現，解決了大跨度拱橋所需拱架問題，使國內大跨度拱橋的興建日益增多。據不完全統計，從1990年到1994年間，已建和在建的鋼管混凝土拱橋達20多座，到1997年達40多座，到1998年則已達到60多座，到2000年已達到120多座，其發展速度之快，為中外建橋史所罕見。

鋼管混凝土結構是將混凝土灌注鋼管內而形成的一種組合結構。它的基本原理是利用鋼管對混凝土的緊箍作用，使得混凝土處于三向受壓狀態，從而使核心混凝土具有更高的抗壓承載力和塑性變形能力。

充分顯示了鋼管混凝土拱橋的生命力。基于這樣的背景，本文以西安航天西路跨東長安街橋（下承式拱梁組合橋）為研究對象，利用有限元分析軟件SAP2000建立全橋空間模型對其進行力學性能分析，對大跨徑鋼管混凝土拱橋的幾個問題進行研究分析，所得結果可對該類拱橋的設計提供參考。

1 工程概況

航天西路長安街橋位于西安市長安區航天西路與東長安街交匯處，航天西路上跨長安街橋。橋梁按斜角正做設計，全橋跨徑布置為15m+60m+15m三跨下承式組合體系鋼桁架拱橋，全長94.2m。上弦桿（矢高13.5米，計算跨徑90米）矢跨比f=1/6.52，下弦桿（矢高12米，計算跨徑60米）矢跨比f=1/5。主拱上、下弦桿均采用1000×14㎜鋼管卷制，鋼材料為Q345D，管內灌注C50自密微膨脹混凝土;腹桿采用Ф500×14㎜、Ф500×10㎜ 的鋼管;橫撐為Ф600×10㎜、Ф300×12㎜鋼管，鋼材料為Q345D。系桿采用C50混凝土剛性變截面加勁系梁，斷面尺寸在橋墩處為2.0×2.5m，在拱跨吊桿間為2.0×1.8m，在每片系梁內布置12束預應力鋼束，兩端對稱張拉。橫梁采用C50預應力混凝土現澆箱梁，與加勁系桿實現剛接，吊桿處橫梁為箱型斷面，寬1.2m，高1.2～1.32m，每道橫梁內設4束預應力鋼束;橋墩處橫梁為箱型斷面，寬3.5m，高1.96～2.08m，每道橫梁內設6束預應力鋼束;橋臺處端橫梁為組合箱型斷面，寬2.5m，高1.2～1.32m，每道橫梁內設7束預應力鋼束。吊桿拉索采用PESFD7—91、PESFD7—109鍍鋅平行高強鋼絲束，主孔配置11對吊桿，間距5.0m，拱肋上弦管為錨固端，橫梁底部為張拉端，設計考慮分兩次張拉。橋面板采用C50混凝土二次現澆，板厚為0.28米。橋墩采用2.0×3.0米的矩形橋墩。圖1為航天西路長安街橋。

2 有限元模型

全橋采用空間有限元程序SAP2000進行建模分析。鋼管拱拱肋采用梁單元鋼-混凝土組合截面，腹桿、風撐采用梁單元鋼管截面，系桿、橫梁采用梁單元混凝土截面，吊桿采用只受拉索單元，橋面板采用梁格法建模。

本文在SAP2000建立有限元模型時，采用等效法的換算截面法來模擬鋼管混凝土拱肋，將鋼管的面積按抗壓剛度等效的原則換算成混凝土面積;預應力筋模擬成單元以考慮彈性縮短或時間延遲影響所帶來的預應力損失，比較有效地模擬了實際工程中預應力鋼筋的預應力損失問題。圖2為SAP2000全橋計算模型。

3 靜力計算分析

由于施工工程對結構分析有著很重要的影響，對此將航天西路長安街橋工況計算劃分為以下步驟。澆筑橋墩、橋臺并搭建臨時支架，系桿、橫梁施工，張拉系桿1、2號預應力鋼束，對稱拼裝拱腳處拱肋，對稱拼裝拱腳至1/3拱肋，搭設拱肋拼裝支架，對稱拼裝2/3段拱肋，搭設拱肋拼裝支架，拼裝中間段拱肋，搭設拱肋拼裝支架，張拉系預應力鋼束，張拉各橫梁預應力鋼束，拆除拱肋支架，對稱灌注下、上拱圈鋼管微膨脹混凝土、澆筑橋面板混凝土、施加橋面板荷載、安裝吊桿并初次張拉、拆除滿堂支架、施加二期恒載、調整吊桿張拉力至目標索力、成橋一個月、成橋一年。

3.1凝土收縮和徐變對橋的內力影響

通過模擬分析上、下拱圈不考慮混凝土收縮徐變和考慮收縮徐變鋼管應力變化。灌注拱圈混凝土開始于第11階段對稱灌注下拱圈鋼管微膨脹混凝土，以施工階段的編號為橫向坐標，以其隨施工階段變化的考慮收縮徐變的應力和未考慮收縮徐變的應力為縱向坐標，作圖3、4如下：

由結果可以看出，隨著施工階段的推移，鋼管應力變化逐漸增大，收縮徐變使得鋼管拱截面壓應力有增大的趨勢。另外對吊桿的豎向位移影響也不小，影響最大的跨中吊桿的吊點位移由原來的向下1.16cm增加到1.34cm，增大了15%（作圖5所示），對本橋梁結構的影響比較大，在設計過程中應予以重視。

3.2預應力對橋的內力影響

對于預應力下承式拱梁組合橋，預應力的施加，使得內支座區域處于受拉的混凝土板預先受壓，改善了結構性能。本工程系梁和橫梁都設有預應力鋼束，圖6給出了預應力張拉前后系梁撓度變化曲線，可以看出，施加預應力后，跨中截面向上拱起，向上拱起了6mm。由此可以得出預應力作用明顯提高了正彎矩區的承載力和負彎矩區混凝土板的開裂荷載，延緩了裂縫的出現，所以全橋施加預應力是很有必要的。

4 結語

從以上計算分析可以得出以下結論：

1）隨著施工階段的推移，鋼管應力變化逐漸增大，收縮徐變使得鋼管拱截面壓應力有增大的趨勢。另外對吊桿的豎向位移影響也不小，影響最大的跨中吊桿的吊點位移由原來的向下1.16cm增加到1.34cm，增大了15%。同時，在拆除滿堂支架時拱肋應力增加了10%之多。混凝土收縮徐變對本橋梁結構的影響比較大，在設計過程中應予以重視。

2）預應力對下承式拱梁組合橋的撓度影響很大，施加預應力后，跨中截面向上拱起了6mm，它對橋梁的預拱度貢獻很大。預應力的施加使墩頂處的橋面板產生了有效的預壓應力，在跨中產生了預拉應力;同時，在跨中也產生了明顯的上拱，這一點正好與橋梁豎向荷載作用的效應是相反的，由此可以得出預應力作用明顯提高了正彎矩區的承載力和負彎矩區混凝土板的開裂荷載，延緩了裂縫的出現。

參考文獻：

[1] 陳寶春.鋼管混凝土拱橋發展概述.橋梁建設.1997，27（2）：8一13

[2] 張旭.曲線鋼—混凝土連續組合梁橋結構性能研究[D]，西安：長安大學，2008

[3] 羅云.崔劍峰.李勇.大跨度鋼管混凝土拱橋空間有限元分析[J].市政技術.2008，06：498-500。

（作者單位：1.陜西建工第二建設集團有限公司）