钢管混凝土梁拱组合桥梁结构分析.pdf

第 3 7卷 ， 第 6期 2 0 1 2年 1 2月 公 路 上 栏 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 j O O De c， 2 0 1 2 钢管混凝土梁拱组合桥梁结构分析 赵国强，贾高炯 ( 中国市政工程 中南设计研究总院 安徽分院 安徽 安庆2 4 6 0 0 2 ) 摘要】通过对潜江河大桥的平面和空间有限元模型的对 比分析 ， 明确梁拱组合桥的基本受力 特征 ， 阐述该 桥 型的分析方法 和设计概要 ， 为同类桥梁的设 计提供参考。 【 关键词梁拱组合桥 ；钢管拱 ； 空间有限元 ； 平面分析 ；成桥 索力优化 ； 初始索力优化 ； 无应力状态控制 中图分类号u 4 4 2 5 文献标识码 】A 文章编 号1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 2 ) 0 6 0 1 3 4 0 4 An a l y s i s o f Co n c r e t e f i l l e d S t e e l Tub e Ar c h a n d Be a m Co mb i n a t i o n Br i d g e S t r u c t u r e Z HA O Gu o q i a n g ， J I A Ga o j i o n g ( C e n t r a l a n d S o u t h e rn C h i n a M u n i c i p a l E n g i n e e r i n g D e s i g n R e s e a r c h I n s t i t u t e ，A n q i n g ，A n h u i 2 4 6 0 0 2 ， C h i n a ) A b s t r a c t B a s e d o n t h e c o m p a r a t i v e a n a l y s i s i n p l a n e a n d s p a c e fi n i t e e l e me n t mo d e l o f Q i a n j i a n g Ri v e r Br i d g e，To ma ke c l e a r t h e b a s i c me c h a n i c a l c ha r a c t e r i s t i c s o f b e a m a r c h c o mbi na t i o n br i d g e，El a b- o r a t i n g t h e me t h o d o f a n a l y s i s a n d ma i n p o i n t o f d e s i g n i n t h i s t y p e br i d g e， p r o v i d i n g r e f e r e n c e i n d e s i g n o f s i mi l a r br i d g e Ke y w o r d s B e a m a r c h c o m b i n a t i o n b r i d g e ； S t e e l t u b e a r c h ；S p a c e fi n i t e e l e m e n t ； P l a n e a n a l y - s i s ；Op t i mi z a t i o n o f t h e c a b l e f o r c e u n d e r t h e c o mp l e t e d s t a t e；Op t i mi z a t i o n o f t h e c a b l e f o r c e u n d e r t h e i n i t i a l s t a t e：Un s t r e s s e d s t a t e c o n t r o l 1 概述 钢管混凝土梁拱组合桥是在传统拱桥基础上形 成的新的结构形式 ， 在 6 0 2 0 0 m跨径范围内， 该桥 型具有造价低 、 施工方便、 造型美观等优点， 因此颇 具竞争力。特别是对于平原地 区受通航和两头接线 问题的影响， 桥面建筑高度小， 软弱地基的情况下 ， 更具 优越性 。 1 8 0 c m预应力混凝土结构， 系梁在拱脚位置加宽 到 2 0 0 c m， 加高到 2 4 0 c m宽 ； 端横梁采用 3 6 0 c m 1 9 0 c m双室箱梁 ， 腹板厚度 5 0 c m； 中横梁采用底宽 6 5 c m T梁 ， 梁高 1 4 0 c m； 桥面板厚 2 5 c m。系梁 、 横 梁及桥面板采用整体支架现浇 ， 结构整体性好； 吊杆 间距 4 m， 采用新型低应力防腐拉索 P E S F D 7 1 0 9 ； 横向设三道风撑， 风撑 D=8 0 c m， t =1 6 mm钢管 ， 见图 1 。 2 工程背景 3 有限元分析 以安庆市潜江河大桥为工程背景 ， 桥梁横 向布 置 ： 4 5 m( 人行道)+ 4 5 m( 非机动车道)+ 2 5 m ( 隔离带)+1 5 m( 机 动车道 )+2 5 m( 隔离带 )+ 4 5 m( 非机动车道 )+4 5 m( 人行道 ) ， 桥梁总宽 3 8 m。采用 1 6 0 m下承式钢管拱结构， 计算跨径 6 0 m， 矢跨 比 1 4 。拱肋 采用 D=1 5 0 c m， t ：2 c m 单圆形钢管， 内灌微膨 胀混凝土 ； 系梁采用 1 5 0 c m 3 1模 型 介 绍 平面模 型包括拱肋 、 吊杆 、 系梁。使用桥梁 博士程序模拟 ： 系梁采用预应力混凝土梁单元 ， 共计 6 6个 ； 拱肋采用钢 管混凝土组合构件 ， 共计 6 4个 ； 吊杆采用索单元 ， 共计 l 3个( 见图 2 ) 。 桥面荷载简化对平面分析的结果影响较大。一 般 情况下桥面板可以看作中横梁支撑的单向板， 恒 【 收稿 日期2 0 1 2 一 O l 一 0 4 作者简介】赵国强( 1 9 8 2 一) ， 男 河南宜m人 工程师 从事公路桥梁设计研究工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 赵国强 ， 等 ： 钢 管混凝 土梁拱 组合 桥梁结构分析 1 3 5 路 。 。 I ( 8 ) 立 面 潜 江路 3 0 0一f 一 6 5 0 一I 1 5 0l l 6 0 0 I 1 5 0I 6 5 0 l 3 0 0 ( b) II 图 1 潜 江河大桥结构 F i g u r e 1 Q i a n g J i a n g R i v e r B r i d g e s t r u c t u r e 上L L 上L L 3 l I 4 l ： 5 l 6 1 ： 7 l ： 8 I ： l 9 1 lO 1 。 ， ll I Il_ lIl l I l 】 l l l ll J lI I l l I I I l ll I I ll I II Ill lI I L 图 2潜 江 河 大桥 平 面 有 限 元 模 型 F i g u r e 2 Q i a n g J i a n g R i v e r B r i d g e P l a n e f i n i t e e l e m e n t mo d e l 载应计人中横梁 自重 ， 一并加载在 系梁相应 吊杆位 置 ， 靠近系梁位置 的桥 面板可以考虑按 4 5 。 分配线 直接作用到系梁上。见图 3 ， 应作用在系梁 ， 应作用在中横梁。 一 期恒载 吊杆位置集 中力 9 0 9 4 8 k N( 包 含 中 1 寻 I 蕊 、 仓 系梁 l I I I 图 3桥面板 荷载分配 Fi g u r e 3 Br i d g e p a n e l l o a d d i s t r i b u t i o n s c h e me s 横 梁 和 部 分 桥 面 板 自重 ) ， 拱 脚 位 置 集 中力 l 8 4 2 k N ( 端横梁 自重 ) ， 系梁局部荷载 1 3 k N m( 分配到 岚 引 引 晴 蛐 蓦 | 蛐 一 如 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 3 6 公路工程 3 7卷 系梁的桥面板恒载) 。 二期铺装、 人行道板及栏杆与桥面板作用类似 ， 分成两部分 ， 靠近系梁位置部分按均布荷载作用在 系梁上， 大小为 l 5 5 3 k N m， 其余部分按集 中力通 过横梁作用在系梁吊杆位置 ， 大小为 3 7 8 8 6 k N 。 空间模型包括拱肋 、 系梁 、 吊杆 、 端 ( 中) 横 梁、 桥面板 、 风撑。使用 Mi d a s C i v i l 程序模拟 ： 拱肋 、 系梁 、 横梁模拟为空间梁单元 ； 吊杆 、 风撑模拟为梁 单元 ； 桥面板模拟为板单元 ， 见图 4 。建模过程注意 考虑系梁与中、 端梁的刚域效果。 图 4空间有 限元模型轴测 图 Fi g u r e 4 S pa c e f i n i t e e l e me n t mo d e l s ha ft ma p p i n g 模型只需作用二期荷载 ， 铺装、 人行道板及栏杆 按压力荷载作用在桥面板单元 中。 3 2 分析 对 比 以成桥索力优化 为着手点， 对平面计算模型和 空间计算模型分别进行分析 比较 ， 进行相互印证 ， 同 时找到他们产生计算差别的原 因。对 中横梁、 端横 梁、 桥面板 的计算提出建议 ， 并提出吊杆施工索力控 制 的方法 。 3 2 1 索力优化 平面计算模型中， 成桥索力优化采用有条件弯 矩势能最小的方法， 优化条件包含一期荷载、 二期荷 载 ， 该程序本身优化 时不提取施工 阶段荷载。优化 结 果见 表 1 。 表 1 成桥 索力优化表 Ta b l e 1 Br i dg e c a b l e f o r c e o p t i mi z a t i o n k N ， 当 模型 模型 平面 空间 平面 空间 索 1 1 7 0 1 1 6 7 5 1 6 索 5 1 7 1 9 1 7 8 4 3 6 索 2 1 6 4 7 l 6 8 8 2 4 索 6 l 6 7 2 l 7 9 0 6 6 索 3 l 6 8 0 I 7 4 5 3 7 索 7 l 6 9 1 l 7 9 3 5 7 索 l 6 7 7 l 7 7 1 5 3 空间计算模型中， 参考平面模 型成桥索力作用 下系梁内力值为优化 内力条件， 使用未知荷载系数 ( 影响矩阵法) 优化成桥索力 ， 结果见表 1 。 两种模 型 优 化 结 果 的 最 大 误 差 6 6 ， 因 为他 们的优化的约束条件不完全相同， 使用桥梁博 士优 化条件是整个结构的弯矩势能最小原理 ； Mi d a s C i v i l 则是通过试算弹性支撑连续梁 的吊杆节点弯矩后 ， 依此为优化条件进行优化。并且所谓优化问题 ， 是 从 无数组 解 中找到 相对最 优 的问题 ， 着重 点不 同 ， 结 果 自然不同。设计者只关心 系梁 的受力均匀性 ， 跟 同时关心系梁 、 拱肋荷载效应 肯定是不会得到相同 的优化结果。 3 2 2 施工索力控制 该桥采用先梁后拱 ， 一次落架的施工工艺 ， 索力 张拉可以通过无应力状态控制法。在拱肋上直接挂 设吊杆， 并根据该施工 阶段内力 需要进行索力初张 拉 ， 记录张拉 T和张拉后拉索的几何 长度 ， 即可求 得现 阶段 该 吊杆 的无 应 力 长 度 f 。 ， 除 非 以后 的施 工 阶段又张拉或者放松该吊杆 ， 该 吊杆 的无应力长度 z 。 便不会改变， 只要在最后一次调整索力 时， 将 吊杆 由当先的无应力长度 z 。 调整到成桥索力优化状态 的无应力长度 即可 ， 该过程可 以通过锚头处 吊杆 的伸长量控制 ， 这样全桥索力 自然 回归到成桥优化 状态 。 考虑到混凝 土的收缩徐变及拉索 的非线形 ， 由 上述安装计算得到成桥状态与预定的成桥状态有差 异 ， 这种差异可 以通过正装迭代分析来修正。 3 2 3 横梁计算 中横梁犹如受系梁竖 向弹性支撑及扭转刚度约 束的悬臂简支梁， 拱肋布置在机非隔离带之间时 ， 受 力介于悬臂简支梁和 固结悬臂梁之间 ， 但偏于悬臂 简支梁 ； 拱肋如设置在桥梁外侧， 中横梁受力介于简 支梁和固端梁之间， 但偏于简支梁。 跨内绝大多数中横梁受系梁抗扭刚度的影响有 限， 空间模型中计算结果见图 5 。图 5中可 以看到： 中横 梁 在 系梁 位 置 的 节 点 左 右弯 矩 不 同， 差 值 7 1 k N m。这部分弯矩很小， 通过 系梁扭矩一部分 转化为端横梁面内弯矩 ， 一部分传递给旁边的其他 中横梁分担。该桥梁左右拱肋 布置较近 ， 中横梁跨 中为负弯矩 一 4 5 9 k N m。这与简化 为悬臂连续梁 计算结果基本一致。 图 5 跨中中横梁 2弯矩 F i g u r e 5 Ha l f Be n d i n g mo me nl fig u r e o f t he mi d d l e h o r i z o n t a l be am 越靠近拱脚的中横梁受系梁的扭转刚度影响越 大 ， 略偏 向于 固结梁 ， 见 图 6， 图 6中可 以看 到 ： 中横 梁在系梁位置的节点左右弯矩不同， 差值 4 5 2 k N 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 赵 国强 ， 等 ： 钢管混凝 土梁拱 组合桥 梁结构分析 l 3 7 I n 。这部分弯矩差值相对 较大， 主要 通过系梁扭矩 转化为端横梁面内弯矩。中横梁跨中产生了正弯矩 1 9 0 k N m， 这与简化 为固结悬臂梁计算结果更为 贴近 。 图 6 边 吊点位置 中横 梁 2弯 矩 Fi g u r e 6 Ha l f Be n di ng mo me nt fig u r e o f t he e d g e ho r i z o n t a l b e a m 系梁大部分扭矩转化 为端横梁面内弯矩， 少量 转化为拱肋面外弯矩及扭矩 ， 端横梁其受力特征 ， 犹 如存在支座强制转角位移 的悬臂连续梁。但是 ， 初 转角需要按照空间模型才能进行计算 ， 所 以中横梁 应该通过空间模型计算设计。 3 2 4 桥面板计算 桥面板按空间板单元计算模 型的弯矩 图见 图 7 ， 跨 中最 大正弯 矩 2 k N In， 支点最 大负弯 矩 为 8 3 5 k N In。 桥面板简化成单向板 ， 采用力法易得跨 中弯矩 q l 2 4= 4 2 k N m， 支点弯矩 一q l 。 1 2： 一 8 3 k N m。 虽然跨中计算结果相差较大 ， 但是内力很小 ， 总体来说按单向板计算配筋可以满足工程需要。 MI DAS Ci v i l POS T P R0CE S S OR - 5 5 2 8 0 1 e + 0 注 ：图中未考虑二期铺装荷载，便于与手算结果对比 图 7某对 吊杆内拱肋问桥面板弯矩 图 Fi g u r e 7 Br i dg e p a n e l b e nd i ng mo me nt fig u r e 4基本受 力特征 无推 力 梁拱组 合桥 由拱 肋 、 吊杆 、 道 桥系三 部 分 组成， 是典型的三元结构。道桥系 由系梁、 横梁 、 桥 面板组成 ， 为活载分布构件 ； 吊杆为力的传递构件 ； 拱肋 与 系 梁 为 主 要 承 重 构 件 。水 平 推 力 由系 梁 承 担 ， 支座处只产生竖向反力 ， 总体反映出简支梁的受 力特点 ， 通常做成简支梁或连续梁形式。 系梁 可 以看 作是 吊杆 吊点 位置 处弹 性支 撑 的连 续梁 ， 拱脚位置参与拱肋 的弯矩分配。系梁和拱肋 通过 吊杆张拉作用形成组合体系， 大部分荷载作用 转化成它们之间的平衡体系的内力。通过合理布置 吊杆间距 、 张拉索力使系梁或整体结构弯矩能量最 低， 恒载大部分转换成拱肋 的轴力。 拱肋 、 横梁、 风撑组成 的空间的框架结构， 端横 梁承受由系梁扭矩传递而来的面里弯矩及系梁预应 力荷载而产生的面外弯矩 ； 中横梁犹如受系梁竖 向 支撑及扭转刚度约束 的悬臂简支梁， 拱肋布置在机 非隔离带之间时， 受力介于悬臂简支梁和固结悬臂 梁之间， 但偏于悬臂简支梁 ； 拱肋如设置在桥梁 外 侧 ， 中横梁受力介于简支梁和固端梁之间， 但偏于简 支 梁 。 风撑在此空间体系中的作用 ， 主要体现在限制 拱肋面外位移和空间稳定性上 ， 受力与拱肋布置方 式有关。拱肋向桥外扭转时 ， 风撑受拉 ； 拱肋向桥中 心扭转时， 风撑受轴向压力 ， 注意验算稳定性。桥面 板受力相对简单 ， 可近似模拟为单 向板或双向板。 吊杆成桥索力优化的基本方法有弹性支撑连续 梁法 、 零位移法、 弯矩势能最低等方法。一般应 以成 桥状态恒载作用下系梁截面应力满足规范为条件 ， 来优化成桥索力。吊杆施工索力一般使用无应力状 态法控制 ， 然后使用正装迭代计算修正。移动荷载 通常依靠 系梁 内布置预应 力束来满足截面应力要 求 。 5 结语 只有抓住结构的基本受力特征 ， 才能抓住结构 设计 的关键所在 ， 有助于对结构的宏观认识 ， 对计算 结果 的真伪判断。 参考文献 1 陈宝 春 钢管混凝土拱桥 M 人民交通出版社 ， 2 0 0 7 2 金成 棣 预应 力 混凝 土 梁拱 组 合桥 梁设 计 研究 与 实践 M 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 0 3 钟善 桐 钢 管混 凝土结 构 ( 第 三版 ) M 北京清 华大 学 出版 社 。 l 9 9 4 4 秦顺全 斜拉桥安装无应力控制法 J 桥梁建设 ， 2 0 0 3 5 叶梅 新 ， 许 润峰， 谢晓慧 确定系杆 拱桥 吊杆 索力 张拉值 的方 法 J 交通科学 与工程 ， 2 0 1 0 6 J T G D 6 02 0 0 4 ， 公路 桥涵 设计通用规范 S 7 J T G D 6 22 0 0 4， 公路 钢筋混凝土 及预应力混凝土桥 涵没计规 范 S 8 C E C S 2 8： 9 0， 钢管混凝土结 构设计与施工规程 S 9 G B 5 0 01 72 0 0 3 ， 钢结 构设计规范 S 1 0 D I T一5 0 8 5一l 9 9 9， 钢 一 混凝 土组合结构设计规程 S 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m