关键词:钢管砼 复合钢管砼 系杆拱桥
一、衔接桥方案
我国海南岛琼州海峡的海水深度较大,单纯采用桥梁和隧道形式都有很大的困难。采用设主、付通航孔的<<便航式跨海浮桥>>方案,主、付通航孔采用大跨径桥梁或潜浮隧道相结合的形式,则困难较小,比较合理和实用。浮桥因为受潮汐水位变化的影响很大,需要随时自动变化调节较大的路线纵坡,才能与桥梁或潜浮隧道相衔接。琼州海峡的潮汐水位变化高达3.60m,最大波浪高度3.30m,潜浮隧道的进、出口应在浪高以上,需要较大的长度才能调节纵坡。采用80m长度的衔接桥与浮桥端部100m长度设坡度相配合,利用浮桥端部浮船作衔接桥的一端桥台,将端部浮船加宽和吃水加深即可解决。
我国钢管砼拱桥的应用,已经获得了很大的发展,80m的跨径施工比较简便,外形简洁美观,造价经济合理。钢管砼这种组合材料,很适合施工和使用。圆形钢管是很合理的受力形式,具有发挥轴向受压和环向受拉力的双向作用,砼处于三向受力状态,材料的组合强度高。砼对钢管起到稳定作用,使钢管的强度能够充分发挥。钢管的环向紧箍力,对砼的横向变形起紧箍作用,砼不易发生开裂破坏,提高了承载力,结构的韧性好。钢管砼具有两种材料的性能,发挥了两种材料的特点,砼已由脆性破坏转变为塑性破坏,可按极限状态设计。但是,钢管有锈蚀的缺点,防护麻烦。现在采用的防护方式属于临时性质,简单的油漆防护为几年时间;热喷锌、鋁能维持25年时间,但是防护费用很高。采用钢管砼作劲性骨架,然后外包钢筋砼,将这种外包钢筋砼与钢管砼的结合称作复合(俗称组合)。复合钢管砼是两种以上材料按一定的规则组合成整体受力,实际是一种复合材料。
在钢管砼拱桥的应用中,钢管砼的计算方法是以试验为基础的经验公式,反映为综合的砼名义强度,只适用于单根钢管截面,物理概念不直观,使用不方便和受到限制。复合钢管砼采用分离计算方法,分别按不同材料的计算方法和强度安全系数,计算不同组合材料的强度,按加载组合规则作简单叠加。故复合钢管砼的计算方法简便直观,施工方便,耐久性能好。复合钢管砼是钢管砼应用的发展,复合钢管砼系杆拱桥作衔接桥是很合理的桥型。所指的系杆拱桥是外部静定的简支体系,实际是梁式结构,属于拱梁组合体系。拱梁组合体系有刚拱刚性梁、刚拱柔性梁和柔拱刚性梁之分,刚拱刚性梁施工简单方便,适用于复合钢管砼系杆拱桥。
二、复合钢管砼系杆拱桥
1、 原理:外部静定的简支系杆拱桥是拱梁组合的梁式体系,拱肋的刚度大,以压弯的形式作功。系杆梁平衡拱的水平推力和拱脚弯矩,承担和传递局部荷载,通过吊杆对拱肋起平衡稳定作用。拱梁组合体系的矢高大,优于实腹和桁架梁,是优秀的结构形式。采用复合钢管砼材料,分期加载逐步形成,方便施工架设,是很实用的桥型。
2、 桥型:由于道路很宽,适合作成左右分幅的两座独立桥梁,以利于横梁的设计,受力简单明确,便于施工架设。拱肋矢跨比为1/5,使系杆拉力比较合理。
3、构造:
⑴拱肋:采用复合钢管砼矩形等截面100x180cm,16Mn钢管Ø750x10mm,为二管双肢格构形,以简化拱肋钢管的焊接加工。外包复合钢筋砼采用Ø12箍筋,能够使拱肋形成整体截面。拱肋、系杆、横撑、端横梁钢管和吊杆在码头上组装好,采用浮船运输和500吨大型浮吊安装。以后在钢管内泵压砼,立模浇灌外包钢筋砼。再安装横梁和桥面板,作防撞护栏和桥面铺装。
⑵系杆:系杆的主要作用是平衡拱肋推力和拱脚弯矩,也承担和传递局部荷载,通过吊杆对拱肋起平衡稳定作用。桥面重量基本上由吊杆直接承受,系杆刚度可以较小。它的刚度仅端部5m加大,中部较小,实际是柔性的。系杆中部截面为100x100cm,端部局部5m长度加高为100x180 cm,采用单根钢管为Ø750x10mm。系杆预应力索布置在钢管内的塑料管中,按拱的推力平衡阶段需要进行张拉和压浆处理。
⑶横撑:采用16Mn空钢管Ø750x10mm作横撑,对称设置5根,以减轻自重。可仅在横撑钢管两端局部1m内灌筑砼,以加大节点的刚度。钢管采用3 cm厚度的钢筋和钢丝网水泥砂浆作防护,人工施工也方便。钢丝网水泥砂浆的防裂性能好,水泥船的成功应用即先例,是钢铁锈蚀防护的简便和实用措施。
⑷横梁:横梁采用预应力砼T形梁,设置间距为5m,横梁与吊杆位置错开,两端设牛腿支承在系杆上,并与纵梁相固结。横梁的荷载和内力很大,T形梁的上翼缘可设双根钢管,利用复合钢管砼作受压。横梁为预应力砼T形梁,其自重较大,采用浮运和浮吊安装。
⑸端横梁:端横梁断面与拱肋同为100x180cm,以加强拱肋的整体性,便于整体吊装。两端加大节点刚度,将拱肋联结为空间刚架,保持稳定,便于支座的安装。
⑹吊杆:吊杆直接吊系杆,有竖直和傾斜两种形式。竖直吊杆计算和调整简便,傾斜吊杆对拱肋的稳定作用大,但是吊杆的计算和调整麻烦。拱肋的刚度很大时,采用竖直吊杆亦可。吊杆采用Ø7镀锌预应力钢丝,镦头锚固和不锈钢管防护。镦头对钢丝有损伤,对锚头应采用环氧树脂粘结和封固防锈。吊杆作用极端重要,钢丝应留有足够大的安全度。拱梁体系的系杆拱为外部净定和内超净定,吊杆和拱肋的变形对吊杆内力变化有较大影响,故吊杆的内力必须张拉调整到设计值。
⑺桥面板:采用预制钢筋砼槽形板,其自重轻,刚度较大,便于安装。在炎热高温地区,槽形板顶面应预埋适当的锚固钢筋,加强与桥面铺装砼的结合。
⑻防撞护栏:外侧钢筋砼防撞护栏加高至120cm,确保海上行车的安全。
⑼桥面:桥面预制板上作10 cm砼整体化现浇层,采用沥青砼桥面铺装,便于养护。
⑽支座:采用大型盆式橡胶支座。
⑾伸缩缝:采用标准型钢伸缩缝。
⑿桥台:浮桥的端部作系杆拱桥台,浮船的大小和吃水深度,由复合钢管砼系杆拱衔接桥半孔的重量而定。可加大浮船的吃水深度,增加承载能力和稳定性。由于桥梁支座压力集中,浮船桁架需要加密和加强。采用网架形式的板桁结构,纵、横方向的刚度都大。桥台支座承台应采用刚度很大的钢骨砼格梁,以分散支座集中力。系杆拱它端桥台,为隧道出口或桥墩。
三、计算
1、 基本资料:
计算跨径L=80m 矢跨比F/L=1/5 桥面净宽16m 拱轴线形:园弧曲线
汽车-超20级 挂车-120 升温Δt=30ºC
2、 计算方法和模式:
采用单片拱肋作建模,考虑活载的偏心影响作用,利用平面杆系程序作计算。吊杆为受拉索单元,作应力刚化处理。
3、 桥型建模:
①拱肋和系杆为单一的梁单元,按刚接节点处理。
②吊杆为索单元,按铰接节点处理。
③桥面和横梁简化为集中力加载。
④横撑简化为集中力加载。
⑤利用对称性,仅作半孔单元计算。
4、计算结果:
⑴支座反力:单肋N=8000KN
⑵系杆拉力:单肋N=12583KN,钢绞线(6x15)90Øj15.24,重量G=8232kg。
N=8508KN,Q=2432KN, M =-12120KN.m,e=-1.42m。
系杆是预应力钢绞线受拉,复合钢管砼实际是受压,拱脚节点截面已经加强。
⑶吊杆拉力:单根N=1439KN,镀锌钢丝60Ø7,单位重量Q=18.1kg/m。
⑷横梁强度:Mj =5814KN.m,
按复合钢管砼T形截面,保证钢管处于受压区,分部作强度和叠加组合计算,以减小横梁高度和自重。采用钢管2Ø200x6,钢绞线(2x12)24Øj15.24。 As=73.2 cm² Ay=33.6cm² fs=315 mpa Ry=1860 mpa bˊ=60 cm Ra=28.5 mpa b=20 cm hjˊ=30 cm
X=[RyAy-Ra( bˊ-b) hjˊ]/(28.5*60)=[1860*33.6-28.5*(60-20)*40]/28.5*20=29.6cm
钢管砼短柱承载力:No=AsFs+AcFc+Acfkst/R=(73.2*315+555.2*23.5+555.2*315*0.6/9.4)/10
=4727KN 即(钢管承载力+砼承载力+径向力承载力)
M=No(ho-15)/100+(1/rc)Ra*[(20*29.6*(ho-14.8)+(40*29.6-628)*(ho-15))/1000=4727*(135-15)
/100+(1/1.25)*28.5*[1184*(135-14.8)+241*(135-14.8)]/1000=8978N.m>Mj =5814KN.m
⑸拱肋强度:拱脚最大弯矩单元的单肋内力Nj =-12553KN,Qj =1540KN,Mj =-7507KN.m, e=-0.60m,其余单元内力偏心距都小于0.20 m,不必另外加强配筋。
钢管截面特性:16Mn钢管Ø750x10 面积A=233cm² 内半径R=365mm 壁厚t=10mm
设计强度fs=315mpa C50砼Ac=4185cm² 砼强度fc=23.5mpa 钢筋砼设计强度fgc=28.5mpa
钢管砼短柱承载力:
No=AsFs+AcFc+Acfkst/R=(233*315+4185*23.5+4185*315*10/365)/10=20786KN即(钢管承载力+砼承载力+径向力承载力)
构件纵向力偏心矩增大系数:Lo=0.36S=0.36*90.73=32.66m
Eh=40411mpa I h=0.486m²*² rc=1.25 rb=0.95
Αe=0.1/(0.3+ eO /h)+0.143=0.1/(0.3+0.60 /1.80)+0.143=0.30
η=1/[1-rc Nj LO²/(10αe Eh I hrb)] =1/[1-1.25*12553*32660²/(10*0.30*4860*
404200000000*0.95)] =1.003
偏心矩:eOˊ=η eO=1.003*0.60≈0.60m
按压弯构件求解受压区高度:根据不同材料设计强度,即钢管fs、钢管紧箍力fks、钢管内填砼fc、外包钢筋砼fgc的强度,取钢筋砼矩形截面,按偏心受压构件计算。
e=112.2cm eˊ=7.8cm H=180cm hO=142.2cm 钢筋14Ø25 Ag =301.8 cm²
Rg=345 mpa Agˊ=301.8 cm² Eg=200000mpa X =ξhO =142.2ξ ξ=X/142.2
σg =0.003Eg(0.9/ξ-1)=0.003*200000*(128/ X -1)=600*(128/ X -1)
fgc *b* X* (e-hO+X/2) =σg*A g* e- fs *A gˊ* eˊ
28.5*100* X* (112.2-142.2+X/2)= 600*(128/ X -1)*301.8* 112.2-315 * 301.8*7.8
X ³-0.0211X²+14778X-1824981=0 σg =600*(128/ X -1)=600*(128/84-1)=314.3 mpa
X=84 cm ξ=84/142.2=0.59>ξjg=0. 55 属于小偏心受压。
复合钢管砼承载力:
N= No+( rb / rc ) * fgc *(b*X-As-Ac)+( rb / rs )* (Rgˊ* Agˊ-σg*Ag )=20786+ (0. 95/ 1. 25)* 28.5* (100*84-233-4185)/10+(0. 95/ 1. 25)*(345*301.8-314.3 *301.8)/10=20786+8625+704=
30115 KN >Nj =-12553KN
四、结束语:
系杆拱为外部静定的梁式结构,系杆受拉、拱肋受压和吊杆起联接作用的内力平衡,具备有梁的特点,其实是梁拱组合体系,实际不同于外部超静定的拱,仍用习惯的俗称系杆拱。本系杆拱方案的各部内力都比较合理,仅拱脚和系杆相接的刚节点单元弯矩最大,节点截面的刚度和配筋需要加强,实际是用节点板将钢管焊接成很强的钢箱结构。采用复合钢管砼作预应力横梁,使宽桥的横梁施工简便。复合钢管砼作系杆拱,使节点的设计和施工都便于处理,是防护耐久、经济实用和美观的梁式桥型,亦可用于引桥