钢管混凝土拱桥拱肋设计浅析.pdf

2 0 1 1 年 8 月第 8 期 城 市道桥 与防洪 桥梁结构 1 6 3 钢管混凝土拱桥拱肋设计浅析 高 金 萍 ( 大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司， 辽宁大连 l 1 6 0 2 3) 摘 要 ： 通过 对大 连港 鲇 鱼湾港 区 2 2号原 油 泊位 钢 管混 凝 土拱 桥 的计算 分 析 ， 应 用通 用有 限 元 程序 ( MI D A S C I V I L 2 0 0 6 ) 对 拱桥 的拱肋 部分进 行深 入分 析与研 究 ， 即对拱 肋 的正常 使用状 态和 承载 能力极 限状 态进行 计算 分析 ， 其 主要 结论 对 同类 型桥 梁的设 计具 有指导 性 的意义 。 关键 词 ： 钢管 混凝 土拱桥 ； 拱 肋 ； 正常使 用状 态 ； 承载 能力极 限状 态 ； 分 析 中图分 类号 ： U 4 4 8 2 2 文献标 识码 ： B 文章 编号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 1 ) 0 8 0 1 6 3 0 3 1 概述 大连港鲇鱼湾港 区 2 2 #原油泊位工程位于大连 市大孤 山半岛端部东侧 ， 紧邻 已建成的 3 0万 t 级原 油码头。 该工程建设规模为新建一个 3 O 万 t 级原油 码头， 向上兼顾 4 5 万 t ， 向下兼顾 l 5万 t 船型。 码头 按开敞式设计 ， 采用蝶型平面布置 ， 陆域和码头工作 平台之间通过引桥连接。本文重点对主引桥的钢管 混凝土拱桥的拱肋进行深入的计算与分析。 1 1设计荷载 ( 1 ) 工艺管线荷载 ： 原油 1 、 原油 2 、 燃料油 3每 根管充水 、 保温后总重为 1 3 7 4 5 9 6 k g m； 消防水管 4充水 、 保 温后 总重 为 5 3 6 8 6 0 k g m； 泡沫液 管 5 、 生 活水管 6 、 氮气 管 7和蒸汽管 8充水 、 保温 后总 重 分别 为 3 1 1 5 6 1 k g m、 8 5 2 6 2 k m、 3 2 0 3 0 k g m、 3 2 0 3 0 k g m。 ( 2 ) 行 车道 荷载 ： 按 照人行 3 5 k P a ， 2 0 t 单 车 荷载考虑。 ( 3 ) 风荷 载 ： 基 本 风速 3 5 2 m l s ( 1 1 0 0 ) ， 基本 风 压 0 7 5 k P a 。 ( 4 ) 地 震 ： 大连 港地 区地震 动 峰值 加 速度 为 0 1 g ，抗震设防烈度为 7度 ，地震动反应谱特征 周期为 O 3 5 S ， 抗震设 防类别为 c类 。 ( 5 ) 温度 ： 整体温升 + 3 0 o C ， 温降 一 2 0。 C。 1 2 桥梁布置及 结构概述 码 头 引桥采 用 钢管 混 凝 土 系杆 拱桥 ，全 长 1 2 6 m，计算跨径 1 2 0 m，矢跨比 1 6 ， 桥面全宽 1 5 3 0 m。图 1为桥梁立 面布置 图 ， 图 2为桥梁标 准断面 ， 图 3为拱肋横断面图。 码头引桥 采用下 承式钢管 混凝 土系杆拱 桥 ， 内部为超静定体 系 ， 外部整体 简支 ， 属静定 体系 。 钢管混凝土拱肋为全桥承载的主体，使用荷载直 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - o 4 0 7 作者简 介： 高金 萍 ( 1 9 7 8 一) ， 女 ， 辽 宁大连 人 ， 工程 师 ， 从 事桥 梁设计 工作 。 接作用于桥面系， 经横梁传递到吊杆， 再通过吊杆全 部传递到拱肋 。 单片拱肋采用双肢哑铃型断面 ， 由弦 杆和腹杆焊接而成 ， 弦杆 内灌注混凝土。 拱肋弦杆截 面为 8 0 0 m m1 2 m m， 腹 杆截面为 2 4 5 mm 7 m m， 上 、 下 弦杆轴线 间距 2 0 IT I ， 横桥 向拱肋 轴线 间距 l 2 4 5 m。拱肋 问设置横撑及 K撑 以增大横 向 刚度 ， 横撑及 K撑 由主杆和腹杆焊接而成。 桥 面系由系杆 、 纵梁 、 横梁及联结 系组成 。系 杆 为刚性 ， 采用焊接箱形截 面 ， 系杆在与拱脚连接 处加高加宽 ， 系杆与拱肋 刚接 ， 平衡 了拱肋产生 的 水平推力 。 纵梁主要承担行车道荷载 ； 横梁为 主要 承载构件 ，直接承担管线荷载并将纵梁荷载传递 至 吊杆 。为保 证桥面系横 向整体稳定 ，设 置联结 系 。纵梁 和联 结系采用焊接 H形截 面 ； 横 梁采用 焊接箱形截 面。 吊杆为柔性 ， 采用环氧喷涂钢绞线 成品索 ， 两端均设 O V M挤压式配套锚具 。 1 3 建筑材料 ( 1 ) 拱肋采 用 Q 3 4 5 D钢 ， 拱肋腹杆 、 横 撑和 K 撑采用 Q 3 4 5 C无缝钢管 。 ( 2 ) 拱肋 内混凝土灌注 C 5 0微膨胀混凝土 。 1 4 施 工 过 程 ( 1 ) 构件均采用工厂 内预制 ， 并分节段运至拼 装场地 。 ( 2 ) 场地 内搭支架 拼装桥 面系 、 拱肋 ， 并 安装 吊杆 ， 拆 除支架 ， 空桥拼装完毕等待 吊装。安装墩 顶支座。 ( 3 ) 采用 1 2 0 0 t 海 吊整体 吊运 。 ( 4 ) 安装就 位后 ， 灌 注拱肋混 凝土 ， 先 下弦管 后上 弦管 ， 混凝土应在初凝前全部灌注完毕 。 ( 5 ) 待 混凝 土达 到设计 强度 9 0 以上 后 ， 开 始桥 面附属工程施工。 2拱肋正常使用状态计算分析 2 1计算模型 计算分析采用大 型空间有限元程序 M i d a s 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 4 桥梁结构 城 市道桥与防洪 2 0 1 1 年 8 月第 8 期 图 2桥 梁标 准断面 【 单位 ： c m) 图 3 拱肋横 断面 图 【 单位 ： mm ) C i v i l 2 0 0 6 ，除拉 索采 用桁 架单 元 外均 采用 梁 单 元 ， 整体简支 ， 四点支撑 ， 外部静定 ， 截 面特性按照 实际钢构件尺寸模拟 ， 钢管? 昆凝土拱肋采用“ 施工 阶段联合截面” 作施工 阶段分析 ， 从而获得钢管和 混凝土各 自的应力结果。计算方法主要采用容许 应 力 法 。 材料 特性 ： 钢材容许应力 2 0 0 M P a ， 弹 性模 量 2 0 61 o 5 MP a： C 5 0混凝 土抗 压强度设计值 2 2 4 MP a ，弹性 模量 3 4 51 0 4 MP a 。 模 型中单元 编号 、 拱肋单元编 号 ： 1 0 1 t o 1 9 0 ； 2 01 t o 2 9 0。 2 2 计算工况 根据实际施工过程划分计算工况 。 工况 l ：空桥陆上支 架拼装后拆 除支架 自重荷载 。 工况 2 ： 空桥吊运安装 自重荷载 ， 拱肋上 四点支撑 。 工况 3 ：灌注拱肋混凝土混凝土未参与 受力 ， 只计其 自重。 工况 4 ： 桥面二期恒载考虑铺装、 栏杆等 荷 载 ， 混凝土 已经参与受力 。 工 况 5：成 桥运 营管线 荷载及可变 荷载 ( 温度 、 风以及汽车荷载 ) 。 除特殊情况外， 本节单位、 符号规定如下 ： ( 1 ) 单 位 。力k N； 长度 m； 应 力 k N m 2 ； 弯矩k N m。 ( 2 ) 符号。内力或应力( + ) 表示受拉 ， ( 一 ) 表示 受压。 计算模型见图 4 。 图 4 计 算模 型 2 3 拱肋计算结果 采用容许应力法 ，拱肋在各个施工阶段 的内 力 、 应力和变形结果如表 1 所示 。 表 1 主要计 算结果 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年 8 月第 8 期 城 市道桥 与防洪 桥梁结构 1 6 5 无论是钢管还是混凝土在各个施工 阶段所 承 受 的最大应力均满足设计规范的要求 。 3拱肋极 限承 载能 力计算 3 1等效单圆管法 鉴于现有 的钢管混凝土结构设计规范 ( 规程 ) 都没有 哑铃型构件的计算 内容 ，因而本文参照文 献 3 在试验的基础上得出的结论进行拱肋承载力计 算 。 从该试验得知 ， 钢管混凝土 哑铃型构件极限承 载力与偏心率的关 系曲线 和单 圆钢管混凝 土偏 压 构件相似， 因此 ， 在计算其承载力时可将其等效为 钢 管 混 凝 土 单 圆 管 偏 压 柱 ， 然 后 结 合 C E C S 2 8： 9 0 规程， 计算拱肋极限承载力。 对于单圆管截面，回转半径为几何半径的一 半 ， 即 i = r 2 ； 对 于 哑铃 型截 面 ， 根据 E A =E s A s+ E c A c ， E 1 =E s l s + E c l c， 求出回转半径( 、 可7 =、 O 0 0 1 1 0 1 0 8 9= 0 3 1 8 ) ， 因此 ， 哑铃 型截 面就 可以等效成半径为 2 的单圆管截面。 将哑铃型等 效成单圆管后，可通过 e 。 Ir 代替圆钢管混凝土中 的 e 。 ， r c 求出 ( 其中 r = 2 i t= 0 6 2 4 ， i 为哑铃型截 面的回转半径 ， t = 1 2 m m为钢管的厚度 ) 。 本设计中： e 0 r o = l ( 2 0 3 1 8 0 0 1 2 ) = 1 6 0 1 5 5 e = 0 4 ( e 0 r o ) = 0 4 1 6 = 0 2 5 肌 N o= A ( 1 + 、 卯) = l X 0 2 52 2 4 0 00 4 7 3 ( 1 + 、 + 8 0 ) =3 1 3 3 1 1( k N) 6 1 4 6 6( k N) 式 中 ： 。 为长 细 比折减 系数 ； 为偏 心率 折 减 系数 ； N o 为轴压短柱 的承载力 。 由于这里考 虑 的是短柱 ， 故长 细比取 1 0 。C E C S 2 8： 9 0中 与 偏 心率 e 。 r c 有关( e 。 为偏 心距 ， 厂 c 为钢 管 的内半 径 ) 。式 中 0为钢 管 混凝 土 的 套箍 系 数 ， O = f d l 。 。 =3 1 00 0 2 9 4 2 2 4 0 4 7 3 = 8 0 ； 工 况 5中 的最 大轴力 N = 6 1 4 6 6 k N。 等效单 圆管法计算钢 管混凝 土拱桥 的拱肋实 际上是对应于整个哑铃型拱肋整体失效的极 限承 载力 ，而实际上 ，上下两个拱圈的受力是不均衡 的 ， 因此这种算法偏 于不安全 。 3 2 拱肋格 构柱承载力计算 从试验结果分析可知， 在偏心荷载的作用下， 哑铃型偏压 柱基本符合平截面假定 ，截 面的变形 既有平均的压缩变形 ， 又有转角变形 ， 而从模型 的 计算结果得知 ， 拱桥的拱肋 正属于这种小偏压柱 。 在 哑铃 型钢管混凝土偏心受压构件( 本桥 的拱 肋 ) 中， 单肢钢管混凝土不仅承受轴向压力， 还要承受 一 部分弯矩 ， 即单 肢钢管混凝土也是压弯构件 。 从大量 的实验研究得 出的结论 表明 ，偏心率 对钢管混凝土的承载力有很大的影响 ，偏心率越 大 ， 承载力越低 ， 因此 ， 文献 3 】 中提 出考虑 哑铃型 构件中单肢管也承受弯矩的修正的格构式算法。 Nu = N1 +N2 M= N e =N1 h 2 +2 2 +NI e l +N2 e 2 N1 = Nu 2 一 【 1 一 1 a 2 ) h M = 3 1 3 3 1 1 2 一 1 一 ( 0 0 2 3 2 + 0 0 2 3 2 ) 2 6 7 4 7 =1 5 3 4 3 8 ( k N) N 2 = N u 2 + 1 一 ( l + 2 ) 】 M = 3 1 3 3 1 1 2 + 1 一 ( O 0 2 3 2 + 0 0 2 3 2 ) 26 7 4 7 =1 5 9 8 7 2 ( k N) N 2 N 6 1 4 6 6 k N( 由于拱 圈的两个拱 肋截面 相 同 ，故 ： 2 = 0 0 2 3 2 ；设计 中 h = 2 m，工况 5： M = 6 7 4 7 k N 1 T I ) 。 格构柱法计算钢管混凝土拱桥 的拱肋 每个拱 肋 的承 载力 均大于 最大荷载作用 工况 的 内力 ， 本 设计中拱肋满足极 限承载能力要求 。 4 结 语 通过上述计算分析得 出 ：钢管混凝 土拱桥拱 肋设计应以正常使用状态计算结果控制，极限承 载能力计算应以格构柱法计算为准，结果偏于安 全 。 由于钢管混凝土拱桥拱肋主要 承担轴 向压力 ， 弯矩很小，故承载力计算基本不控制构件设计尺 寸 。 目前 大桥 已经竣工投产 ，运营期间监测结果 表明拱肋受力与设计结果 吻合 ，本文 的设计计算 可靠适用 。 参 考文 献 【 1 C EC S 2 8： 9 0 ， 钢管 混凝 土结构 设计 与施工 规程 【 s 【 2 李勇， 陈宜言 钢一混凝 土组合桥梁设计与应用【 M 北京 ： 科学 出版社 ， 2 0 0 2 f 3 】 陈 宝 春 钢 管混 凝 土 拱 桥 ( 2版) 【 M 北 京 ： 人 民交 通 出版 社 ， 2 o 0 7 【 4 】 陈宝春 钢 管混 凝 土拱桥 设计 与施 3 2 r 1 北 京 ： 人 民交 通 出版 社 。 1 9 9 9 【 5 倪 顺 龙 ， 郭 光 松 中承式 钢 管混 凝 土 系杆 拱 桥【 M】 北京 ： 人 民 交 通出版 社 ， 2 0 0 6 【 6 】 陈宝春 钢管 混凝土拱 桥( 实例集 一 ) 北 京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m