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【摘要】鋼管混凝土桁梁橋的主梁下弦管、上弦管(橋面板)之間幾何獨立，由各管在跨間約束組成的主梁連續(xù)體系形式的選擇是該類橋梁設計過程中需要解決的關鍵問題之一。文章以汶馬高速公路汶川克枯大橋為例，分析了強連續(xù)體系、中連續(xù)體系和弱連續(xù)體系下鋼管混凝土桁梁力學行為的差異，提出了采用中連續(xù)體系時主梁受力最為均衡，為該類橋型設計和理論研究提供借鑒。

【關鍵詞】鋼管混凝土桁梁橋;強連續(xù)體系;中連續(xù)體系;弱連續(xù)體系

鋼管混凝土桁梁橋的主梁由鋼管混凝土下弦管、上弦管、腹管、鋼－混凝土組合橋面板及橫撐構件共同組成，該類橋型主要受力構件均為鋼管混凝土構件。由于鋼管對混凝土的套箍效應，管內混凝土抗壓強度和壓縮變形能力得以提高，同時也增加了鋼管的幾何穩(wěn)定性和承載能力，從而充分發(fā)揮了鋼管和混凝土兩種材料的優(yōu)點，使用鋼量和混凝土用量較同跨徑鋼橋和混凝土橋有明顯優(yōu)勢，主梁自重輕也使鋼管混凝土桁梁橋抗震性能卓越，近年來在我國西南山區(qū)高速公路逐漸推廣使用［1－3］。鋼管混凝土下弦管和上弦管(橋面板)之間幾何獨立，通過鋼管混凝土腹管相連后形成主梁，上、下弦管在各跨間墩頂處存在多種組合約束方式，由此形成的主梁連續(xù)體系如何影響靜力作用下橋面板、弦管、腹管等構件的力學行為有待研究。每聯橋動力特性及屈曲特征如何隨之變化同樣值得關注，對此分析結果可直接為橋梁設計思路提供依據，目前國內外的已有研究僅針對主梁在完全簡支或完全連續(xù)狀態(tài)的受力行為［4］，或鋼管混凝土受彎構件的承載力研究［5］，對主桁梁連續(xù)體系的研究尚無先例。本文以汶馬高速公路汶川克枯大橋為背景，針對跨間上下弦管均各向約束的強連續(xù)體系、上弦管(橋面板)各向約束的中連續(xù)體系和上弦管(橋面板)縱向平動約束的弱連續(xù)體系，進行了主梁連續(xù)體系對鋼管混凝土桁梁橋主梁力學行為和動力特性影響的計算分析。

1工程概況

汶馬高速公路汶川克枯大橋是目前世界上建設規(guī)模最大的鋼管混凝土桁梁橋工程，包括克枯橋梁工程和下莊橋梁工程。橋梁工程全長約4．3km，采用標準30m和40m兩種跨徑，桁主梁梁高分別為3．5m和4．2m，采用平面桁架型式，上、下弦管及腹管均為鋼管混凝土，主梁頂面采用鋼混凝土組合橋面板，下部結構為鋼管混凝土橋墩和混凝土樁基礎，橋梁標準橫斷面型式如圖1所示。在擬分析的主梁連續(xù)體系中，強連續(xù)體系與常規(guī)連續(xù)梁跨間約束一致，為主梁全斷面連續(xù)(圖2);中連續(xù)體系為下弦管斷開，上弦管(橋面板)連續(xù)(圖3);弱連續(xù)體系為下弦管斷開，上弦管(橋面板)縱向平動約束，該種連續(xù)體系主要考慮解決橋面板混凝土避免負彎矩作用，同時保持結構縱向連續(xù)性，因此在構造上為橋面板混凝土斷開，橋面板鋼底板和上弦管不斷開(圖4)。

2空間有限元模型

汶川克枯大橋鋼管混凝土桁梁橋共計32聯、219跨，采用30m和40m兩種跨徑組合而成，最短聯長度為150m，最長聯長度290m。考慮到聯長越長，結構靜力受力和動力特性越復雜，主梁連續(xù)體系研究越具有代表性，本文選擇了克枯橋梁工程左線第6聯作為分析對象，跨徑組合為3×30m+5×40m，建立了空間有限元模型如圖5所示。模型共計梁單元1420個，建立了鋼管混凝土上弦管、下弦管、腹管、鋼－混凝土組合橋面板、鋼管橫撐、鋼管混凝土橋墩和樁基礎單元，模型考慮了樁－土效應，采用土彈簧模擬下部結構支承，墩頂支座均采用變剛度抗震支座，水平剛度介于800～3300kN/m之間，模型中通過彈性連接模擬。

3計算結果及力學行為分析

根據JTGD60－2015《公路橋涵設計通用規(guī)范》，計入結構自重、下弦管預應力、混凝土收縮徐變、溫度荷載、車道荷載作用后，鋼管混凝土構件可能出現受壓和受拉狀態(tài)，部分桿件甚至存在受拉和受壓交變狀態(tài)。當其受拉時，按空鋼管受力進行應力分析;當其受壓時，計入管內混凝土貢獻，根據組合材料進行承載力驗算對比，承載能力公式如式1所示：式中:φl為長細比折減系數;φe為偏心矩折減系數;Kp為初應力折減系數;Kt為混凝土脫空系數;fsc為鋼管混凝土組合抗壓強度;Asc為鋼管混凝土組合受壓面積;γ為結構重要性系數。

3．1下弦管

三種連續(xù)體系對應的下弦管受力結果見表1、表2。在中連續(xù)體系和弱連續(xù)體系下，下弦管在墩頂斷開時，其軸力在此處歸零，連續(xù)梁中支點附近負彎矩效應消失，表現為墩頂附近受壓下弦管內力較小;強連續(xù)體系下弦管在墩頂連續(xù)時，墩頂附近受壓下弦管內力則顯著增加。相反地，跨中附近受拉下弦管應力則隨下弦管墩頂連續(xù)而降低，隨著下弦管墩頂斷開趨向于簡支結構下緣受力狀態(tài)，致使最大名義拉應力和疲勞應力幅增加。由于中連續(xù)體系下主梁上緣仍處于連續(xù)狀態(tài)，其受拉下弦管應力(幅)小于弱連續(xù)體系時，其受壓下弦管內力明顯小于強連續(xù)體系時。

3．2腹管

對于受拉腹管，墩頂附近的402×18腹管受主梁連續(xù)體系影響最大，在強連續(xù)體系下名義應力最小，在弱連續(xù)體系下名義應力最大。強、中、弱連續(xù)體系下名義應力比為1∶1．04∶1．06，跨中附近的402×12(14)腹管名義應力則幾乎不變，表明受主梁連續(xù)體系的影響最小，420×16腹管所受影響則介于兩者之間(圖6)。值得注意的是，不受腹管位置影響，強連續(xù)體系下的腹管疲勞應力幅始終大于中連續(xù)體系和弱連續(xù)體系，而后兩者則較為接近(圖7)。對于受壓腹管，三種連續(xù)體系對應的承載能力安全度如圖8所示，總體上隨著腹管越靠近跨中，承載能力安全度越高。對于墩頂附近的402×18腹管，強連續(xù)體系安全度最高，中連續(xù)體系次之，弱連續(xù)體系最低，對于其余腹管則逐漸呈現強連續(xù)體系安全度最低，弱連續(xù)體系最高。

3．3橋面板

對于鋼混凝土組合橋面板，上緣由混凝土承受荷載，下緣由底鋼板承受荷載，在三種連續(xù)體系下，墩頂和跨中附近的橋面板上、下緣的應力如表3所示。弱連續(xù)體系可以明顯消除負彎矩區(qū)混凝土拉應力，強連續(xù)體系對應位置的混凝土拉應力為5．1MPa，中連續(xù)體系由于只有上弦管(橋面板)連續(xù)，且橋面板需承受彎矩作用，混凝土拉應力達到8．2MPa，為三種體系下最大值，但仍可通過超筋和使用鋼纖維混凝土、切縫等措施保證混凝土使用性能滿足要求。

3．4動力特性及屈曲分析

鋼管混凝土桁梁橋一階振型和一階屈曲模態(tài)見圖9、圖10。在三種連續(xù)體系下，鋼管混凝土桁梁橋前十階振型特征以及前十階屈曲模態(tài)均一致，強連續(xù)體系一階自振頻率略大于中連續(xù)體系和弱連續(xù)體系，分別為0．43Hz、0．42Hz、0．4Hz(表4);弱連續(xù)體系下橋梁穩(wěn)定安全系數明顯小于中連續(xù)體系和強連續(xù)體系對應值(表5)。

4結論

本文以汶馬高速公路汶川克枯大橋的鋼管混凝土桁梁橋工程為背景，考慮強連續(xù)體系(上、下弦均連續(xù))、中連續(xù)體系(僅上弦管及橋面板連續(xù))、弱連續(xù)體系(僅上弦管及橋面板鋼底板連續(xù))三種主梁連續(xù)體系，建立空間有限元分析模型，對比分析了下弦管、腹管、橋面板等構件力學行為以及橋梁動力特性在不同主梁連續(xù)體系下的差異，得出以下結論:(1)中連續(xù)體系和弱連續(xù)體系下，受壓下弦管內力較小，受拉下弦管名義應力和疲勞應力幅相對較大;強連續(xù)體系下，受壓下弦管內力急劇增大，受拉下弦管名義應力和疲勞應力幅則相對較小。(2)墩頂附近腹管受連續(xù)體系影響最大，受拉腹管在強、中、弱連續(xù)體系下名義應力比為1∶1．04∶1．06，受壓腹管承載能力安全度在強連續(xù)體系下最高，弱連續(xù)體系下最低。(3)中連續(xù)體系由于只有上弦管(橋面板)連續(xù)，且橋面板需承受彎矩作用，使混凝土拉應力達到8．2MPa，為三種體系下最大值，但仍可通過超筋、使用鋼纖維混凝土、切縫等措施保證混凝土使用性能滿足要求。(4)強連續(xù)體系下橋梁一階自振頻率略大于中連續(xù)體系和弱連續(xù)體系，分別為0．43Hz、0．42Hz、0．4Hz;弱連續(xù)體系穩(wěn)定安全系數明顯弱于中連續(xù)體系和強連續(xù)體系對應值。(5)總體上，中連續(xù)體系下主梁下弦管和腹管受力最均衡，一階自振頻率和穩(wěn)定安全系數與強連續(xù)體系接近，考慮到可通過構造措施和材料解決負彎矩區(qū)混凝土使用性能的問題，最終選擇中連續(xù)體系成為鋼管混凝土桁梁橋墩頂約束方式最為合理。

參考文獻

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作者：孫才志 牟廷敏 古銳 單位：四川交通運輸廳公路規(guī)劃勘察設計研究院