上承式鋼管混凝土拱橋設計計算

魏一絎，王梅俊

(天津城建設計院有限公司第七分院，浙江 杭州 310051)

1 工程概況

某上承式鋼管混凝土拱橋位于浙江省溫州市泰順縣珊溪水庫庫區，承接水庫兩岸交通作用。主拱計算跨徑170 m，矢跨比為1/4.8。拱軸線按懸鏈線設置，拱軸系數m取值1.543。上部結構布置為3×4×15.3 (m)預應力混凝土橋面連續矮T梁。橋型布置如圖1所示。

圖1 橋型布置圖(單位：m)

2 主橋結構設計

2.1 拱肋構造

主拱采用四肢全桁式等截面鋼管混凝土桁架結構，由兩條拱肋及橫向聯接系構成。拱肋中心距7.2 m，肋全高3.8 m，全寬2.8 m。每肋由4肢φ800×16 mm/20 mm(拱腳處加厚)鋼管構成，內灌C50混凝土。柱下豎腹桿、拱鉸處斜桿內灌C50混凝土，其余腹桿及平聯鋼管內不灌混凝土。

2.2 拱肋節段劃分及接頭設置

拱肋節段劃分采用與拱上建筑跨徑統一的方式，即在立柱下方設置兩豎腹桿，內灌C50混凝土，拱肋節段接頭設在兩豎腹桿之間。

2.3 拱肋橫向聯系

圖2 1/2拱肋橫向聯系示意圖

2.4 拱上立柱及上部結構

拱上立柱為4根φ426×10 (mm)鋼管組成的格構式柱，鋼管內灌C50混凝土。立柱柱肢沿順橋方向間距1.5 m，橫橋方向間距2.0 m。柱肢上沿高度方向水平設置間隔2 m一道的φ180×6 mm鋼管。立柱之間設置數道鋼管桁架聯系梁，增加整體穩定性。拱上蓋梁采用預制拼裝鋼筋混凝土結構，蓋梁全長11.7 m，全寬2.2 m，蓋梁橫坡按橋面橫坡2%設置，蓋梁端部高度1.4 m。上部構造采用15.3 m預應力矮T梁，先簡支后橋面連續結構。矮T梁梁高0.9 m，梁間距1.7 m，橫橋向按6片布置，中梁頂寬1.2 m，邊梁頂寬1.25 m。

3 結構計算

3.1 計算模式

主橋拱肋及拱上立柱在未灌注混凝土前為空鋼管，以鋼結構規范檢算；灌注混凝土后，則需以鋼管混凝土組合結構來檢算[2]。全橋靜力和動力計算均根據實際施工過程進行建模，分析橋梁各階段的內力和位移響應情況。靜力分析采用Midas Civil 2020進行建模，為了更精確得到在材料時間依存特性影響下鋼管混凝土的分析結果，使用Midas程序中聯合截面功能建立模型[3]，使截面順序生效，來模擬結構中鋼管混凝土構件的截面形成過程。

3.2 計算結果

3.2.1 施工階段結構強度驗算

在施工過程中各個階段，結構各部位的應力值均在合理范圍內，結構空鋼管最大應力為65.7 MPa

3.2.2 基本組合工況結構應力分析

根據文獻[4]C.0.1條規定：鋼管混凝土構件作為鋼管和混凝土兩種材料單元，構件滿足平截面假定，應采用疊加法計算各階段累計的截面應力[5]，滿足

提取Midas中基本組合各部分應力如下。

主拱鋼管混凝土:

立柱鋼管混凝土:

最不利工況組合下，結構各部位的應力值均在合理范圍內，鋼管混凝土中鋼管部分最大應力為157.7 MPa，管內混凝土最大壓應力為20.7 MPa，滿足規范要求。

3.2.3 承載能力極限狀態結構強度分析

主拱組合內力按文獻[4]第3.3.2條進行計算。本橋主拱有兩種斷面，區別在于主拱鋼管的壁厚不同，拱腳處采用φ800×20 (mm)鋼管，其他段采用φ800×16 (mm)鋼管。對兩種斷面取其不利單元分別計算。壁厚20 mm段拱肋內力見表1。

表1 壁厚20 mm段拱肋內力表

組合軸力N：

N=γ∑(Ni+Ni'cosq)=52423kN

組合彎矩M：

3761.6kN·m

組合偏心距e0=M/N=3761.6/52423=0.072

e0/h=0.024≤εb=0.5滿足規范要求。

主拱肋強度驗算:

1)根據規范[4]第5.3.1條鋼管混凝土組合構件計算主管長細比。

2)根據Midas施工期間模擬計算，提取鋼管初應力最大值為48.5 MPa。

根據規范[4]第5.2.4條計算鋼管初應力折減系數Kp：

3)主拱按偏心受壓承載力驗算

根據規范[4]第5.3.2條進行驗算：

fsc=0.96×(1.14+1.02ζ0)fcd=56.0MPa

根據上述參數計算壁厚20 mm段拱肋強度：

表2 壁厚16 mm段拱肋內力表

采用相同方法計算壁厚16 mm段拱肋強度：

3.2.4 變形計算

在車道荷載作用下主拱最大豎向撓度為19.8 mm<1/1000L=170 mm，主拱豎向剛度滿足規范要求。

3.2.5 穩定性計算

荷載作用下，主拱肋結構的彈性穩定系數為12.5，大于規范[4]5.9.1條規定的不應小于4.0，穩定性滿足規范要求。

3 結 語

進行桁式主拱鋼管混凝土設計時，通過有限元軟件建立全橋模型，計算施工過程中各階段及運營階段受力狀態，根據規范對橋梁結構強度、剛度和穩定性進行驗算，進一步通過電算和手算相結合對計算結果進行細化驗算，確保設計合理性。

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