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浅析钢管混凝土桁梁桥连续体系受力

2019/05/31 阅读:

【摘要】钢管混凝土桁梁桥的主梁下弦管、上弦管(桥面板)之间几何独立,由各管在跨间约束组成的主梁连续体系形式的选择是该类桥梁设计过程中需要解决的关键问题之一。文章以汶马高速公路汶川克枯大桥为例,分析了强连续体系、中连续体系和弱连续体系下钢管混凝土桁梁力学行为的差异,提出了采用中连续体系时主梁受力最为均衡,为该类桥型设计和理论研究提供借鉴。

【关键词】钢管混凝土桁梁桥;强连续体系;中连续体系;弱连续体系

钢管混凝土桁梁桥的主梁由钢管混凝土下弦管、上弦管、腹管、钢-混凝土组合桥面板及横撑构件共同组成,该类桥型主要受力构件均为钢管混凝土构件。由于钢管对混凝土的套箍效应,管内混凝土抗压强度和压缩变形能力得以提高,同时也增加了钢管的几何稳定性和承载能力,从而充分发挥了钢管和混凝土两种材料的优点,使用钢量和混凝土用量较同跨径钢桥和混凝土桥有明显优势,主梁自重轻也使钢管混凝土桁梁桥抗震性能卓越,近年来在我国西南山区高速公路逐渐推广使用[1-3]。钢管混凝土下弦管和上弦管(桥面板)之间几何独立,通过钢管混凝土腹管相连后形成主梁,上、下弦管在各跨间墩顶处存在多种组合约束方式,由此形成的主梁连续体系如何影响静力作用下桥面板、弦管、腹管等构件的力学行为有待研究。每联桥动力特性及屈曲特征如何随之变化同样值得关注,对此分析结果可直接为桥梁设计思路提供依据,目前国内外的已有研究仅针对主梁在完全简支或完全连续状态的受力行为[4],或钢管混凝土受弯构件的承载力研究[5],对主桁梁连续体系的研究尚无先例。本文以汶马高速公路汶川克枯大桥为背景,针对跨间上下弦管均各向约束的强连续体系、上弦管(桥面板)各向约束的中连续体系和上弦管(桥面板)纵向平动约束的弱连续体系,进行了主梁连续体系对钢管混凝土桁梁桥主梁力学行为和动力特性影响的计算分析。

1工程概况

汶马高速公路汶川克枯大桥是目前世界上建设规模最大的钢管混凝土桁梁桥工程,包括克枯桥梁工程和下庄桥梁工程。桥梁工程全长约4.3km,采用标准30m和40m两种跨径,桁主梁梁高分别为3.5m和4.2m,采用平面桁架型式,上、下弦管及腹管均为钢管混凝土,主梁顶面采用钢混凝土组合桥面板,下部结构为钢管混凝土桥墩和混凝土桩基础,桥梁标准横断面型式如图1所示。在拟分析的主梁连续体系中,强连续体系与常规连续梁跨间约束一致,为主梁全断面连续(图2);中连续体系为下弦管断开,上弦管(桥面板)连续(图3);弱连续体系为下弦管断开,上弦管(桥面板)纵向平动约束,该种连续体系主要考虑解决桥面板混凝土避免负弯矩作用,同时保持结构纵向连续性,因此在构造上为桥面板混凝土断开,桥面板钢底板和上弦管不断开(图4)。

2空间有限元模型

汶川克枯大桥钢管混凝土桁梁桥共计32联、219跨,采用30m和40m两种跨径组合而成,最短联长度为150m,最长联长度290m。考虑到联长越长,结构静力受力和动力特性越复杂,主梁连续体系研究越具有代表性,本文选择了克枯桥梁工程左线第6联作为分析对象,跨径组合为3×30m+5×40m,建立了空间有限元模型如图5所示。模型共计梁单元1420个,建立了钢管混凝土上弦管、下弦管、腹管、钢-混凝土组合桥面板、钢管横撑、钢管混凝土桥墩和桩基础单元,模型考虑了桩-土效应,采用土弹簧模拟下部结构支承,墩顶支座均采用变刚度抗震支座,水平刚度介于800~3300kN/m之间,模型中通过弹性连接模拟。

3计算结果及力学行为分析

根据JTGD60-2015《公路桥涵设计通用规范》,计入结构自重、下弦管预应力、混凝土收缩徐变、温度荷载、车道荷载作用后,钢管混凝土构件可能出现受压和受拉状态,部分杆件甚至存在受拉和受压交变状态。当其受拉时,按空钢管受力进行应力分析;当其受压时,计入管内混凝土贡献,根据组合材料进行承载力验算对比,承载能力公式如式1所示:式中:φl为长细比折减系数;φe为偏心矩折减系数;Kp为初应力折减系数;Kt为混凝土脱空系数;fsc为钢管混凝土组合抗压强度;Asc为钢管混凝土组合受压面积;γ为结构重要性系数。

3.1下弦管

三种连续体系对应的下弦管受力结果见表1、表2。在中连续体系和弱连续体系下,下弦管在墩顶断开时,其轴力在此处归零,连续梁中支点附近负弯矩效应消失,表现为墩顶附近受压下弦管内力较小;强连续体系下弦管在墩顶连续时,墩顶附近受压下弦管内力则显著增加。相反地,跨中附近受拉下弦管应力则随下弦管墩顶连续而降低,随着下弦管墩顶断开趋向于简支结构下缘受力状态,致使最大名义拉应力和疲劳应力幅增加。由于中连续体系下主梁上缘仍处于连续状态,其受拉下弦管应力(幅)小于弱连续体系时,其受压下弦管内力明显小于强连续体系时。

3.2腹管

对于受拉腹管,墩顶附近的402×18腹管受主梁连续体系影响最大,在强连续体系下名义应力最小,在弱连续体系下名义应力最大。强、中、弱连续体系下名义应力比为1∶1.04∶1.06,跨中附近的402×12(14)腹管名义应力则几乎不变,表明受主梁连续体系的影响最小,420×16腹管所受影响则介于两者之间(图6)。值得注意的是,不受腹管位置影响,强连续体系下的腹管疲劳应力幅始终大于中连续体系和弱连续体系,而后两者则较为接近(图7)。对于受压腹管,三种连续体系对应的承载能力安全度如图8所示,总体上随着腹管越靠近跨中,承载能力安全度越高。对于墩顶附近的402×18腹管,强连续体系安全度最高,中连续体系次之,弱连续体系最低,对于其余腹管则逐渐呈现强连续体系安全度最低,弱连续体系最高。

3.3桥面板

对于钢混凝土组合桥面板,上缘由混凝土承受荷载,下缘由底钢板承受荷载,在三种连续体系下,墩顶和跨中附近的桥面板上、下缘的应力如表3所示。弱连续体系可以明显消除负弯矩区混凝土拉应力,强连续体系对应位置的混凝土拉应力为5.1MPa,中连续体系由于只有上弦管(桥面板)连续,且桥面板需承受弯矩作用,混凝土拉应力达到8.2MPa,为三种体系下最大值,但仍可通过超筋和使用钢纤维混凝土、切缝等措施保证混凝土使用性能满足要求。

3.4动力特性及屈曲分析

钢管混凝土桁梁桥一阶振型和一阶屈曲模态见图9、图10。在三种连续体系下,钢管混凝土桁梁桥前十阶振型特征以及前十阶屈曲模态均一致,强连续体系一阶自振频率略大于中连续体系和弱连续体系,分别为0.43Hz、0.42Hz、0.4Hz(表4);弱连续体系下桥梁稳定安全系数明显小于中连续体系和强连续体系对应值(表5)。

4结论

本文以汶马高速公路汶川克枯大桥的钢管混凝土桁梁桥工程为背景,考虑强连续体系(上、下弦均连续)、中连续体系(仅上弦管及桥面板连续)、弱连续体系(仅上弦管及桥面板钢底板连续)三种主梁连续体系,建立空间有限元分析模型,对比分析了下弦管、腹管、桥面板等构件力学行为以及桥梁动力特性在不同主梁连续体系下的差异,得出以下结论:(1)中连续体系和弱连续体系下,受压下弦管内力较小,受拉下弦管名义应力和疲劳应力幅相对较大;强连续体系下,受压下弦管内力急剧增大,受拉下弦管名义应力和疲劳应力幅则相对较小。(2)墩顶附近腹管受连续体系影响最大,受拉腹管在强、中、弱连续体系下名义应力比为1∶1.04∶1.06,受压腹管承载能力安全度在强连续体系下最高,弱连续体系下最低。(3)中连续体系由于只有上弦管(桥面板)连续,且桥面板需承受弯矩作用,使混凝土拉应力达到8.2MPa,为三种体系下最大值,但仍可通过超筋、使用钢纤维混凝土、切缝等措施保证混凝土使用性能满足要求。(4)强连续体系下桥梁一阶自振频率略大于中连续体系和弱连续体系,分别为0.43Hz、0.42Hz、0.4Hz;弱连续体系稳定安全系数明显弱于中连续体系和强连续体系对应值。(5)总体上,中连续体系下主梁下弦管和腹管受力最均衡,一阶自振频率和稳定安全系数与强连续体系接近,考虑到可通过构造措施和材料解决负弯矩区混凝土使用性能的问题,最终选择中连续体系成为钢管混凝土桁梁桥墩顶约束方式最为合理。

参考文献

[1]牟廷敏,谢邦珠,丁庆军,等.西部山区桥梁高性能混凝土研究与进展[J].西南公路,2017(2):22-27.

[2]牟廷敏,范碧琨,赵艺程,等.钢管混凝土桥梁在中国的应用与发展[J].公路,2017(12):161-165.

[3]陈宝春,牟廷敏,陈宜言,等.我国钢-混凝土组合结构桥梁研究进展及工程应用[J].建筑结构学报,2013,34(增刊1):1-10.

[4]彭桂瀚,周武,范碧琨,等.钢管混凝土组合桁梁受力性能有限元分析[C]//第二十届全国桥梁学术会议论文集(上册):373-379.

[5]武斌,谭卓英,顾威,等.圆钢管混凝土受弯构件中性层偏移规律及承载力研究[J].四川建筑科学研究,2017,43(5):17-21.

作者:孙才志 牟廷敏 古锐 单位:四川交通运输厅公路规划勘察设计研究院

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