下承式刚性系杆拱桥拱座结点受力特点分析

刘国光;刘群;潘哲;朱宗景;聂利英

【摘 要】拱座开裂是拱桥经常出现的病害之一.以某下承式钢管混凝土刚性系杆拱桥为工程背景,探讨了刚性系杆钢管混凝土拱桥拱座微小转动对于此类拱桥拱座处内力的影响,由分析可知:拱座的微小自由转动会造成拱脚、系杆端头弯矩大的改变,即拱座结点受力对微小自由转动敏感.在现实的桥梁中施工初始安装、运营期间的重车过桥,尤其是过桥头伸缩缝时的冲击作用等均有可能带来拱座设计中未能考虑到的微小的自由转动.拱座受力对此微小转动的敏感性,很可能是下承式钢管混凝土刚性系杆拱桥拱座开裂的重要因素之一.%Arch abutments cracking is a common disease of the arch bridge. With a concrete filled steel tube such arch bridge as the engineering background, the influence of small rotation of arch abutments of concrete filled steel tube such arch bridge in internal force of arch abutment is analyzed, with the analysis, small free rotation of the arch abutments will greatly influent the bending moment of arch spring section and the head section of tie bar, also is forces of arch abutment are sensitive of tiny rotation of arch abutments. In actual, initial installation in construction , Heavy vehicle across, especially the impact on the bridge when the vehicle through expansion joint on the head of the bridge will probably bring small free rotation of the arch abutments which unexpected in design programs. So, sensitive of tiny rotation of arch abutments in forces of arch abutments are probably the causes of cracking of arch abutments of concrete filled steel tube such arch bridge.

【期刊名称】《科学技术与工程》 【年(卷),期】2013(013)012 【总页数】5页(P3327-3330,3336)

【关键词】下承式刚性系杆拱桥;拱座转动;拱座开裂 【作 者】刘国光;刘群;潘哲;朱宗景;聂利英

【作者单位】河海大学土木与交通学院,南京210098 【正文语种】中 文 【中图分类】U441.5

拱桥是我国桥梁建设中常用的桥型。当地质条件较差时，往往以系杆平衡拱的水平推力，以降低对墩台与基础的要求。随着钢管混凝土材料的发展，下承式刚性系杆钢管混凝土拱桥在我国得到了大量应用，据不完全统计，从1993年至2005年，我国几乎每年都有多座下承式刚性系杆钢管混凝土拱桥建成，尤其是在城市、平原和软弱地基桥位的桥梁［1］。目前，比较具有代表性的下承式刚性系杆钢管混凝土拱桥有主跨100 m的河南郑州黄河二桥、主跨190 m杭州钱江复兴大桥等，跨度最大是2005年建成的河南蒲山大桥，主跨225 m［2］。

在对已建成的众多拱桥调查中发现，拱座开裂是一个常见的问题。施工养护措施不合理、外界温度变化太大、下部结构不均匀沉降等均为拱桥拱座开裂的主要原因［3—5］。对于大部分钢管混凝土拱桥，拱座一旦出现较大裂缝，拱肋的形态将会发生较大变化，造成拱肋的几何初始缺陷增大，这将对结构的极限承载力造成很大的影响［6］。特别地，下承式刚性系杆钢管混凝土拱桥的拱座处配筋复杂，且

锚固了端横梁和系梁的预应力筋，拱座开裂后若未及时修复，受外界因素的长时间作用，容易引起拱座内部钢筋的锈蚀以及系梁预应力的损失，对桥梁的安全性和耐久性造成不利的影响。

下承式刚性系杆钢管混凝土拱桥为无推力的拱梁组合体系结构。拱座处，拱肋、刚性系杆、端横梁固结，拱座处受力和构造复杂，因此拱座结点设计为此类桥型设计中一个关键问题。现阶段关于拱座结点的研究主要集中于成桥后拱座结点的局部应力分析，以校核成桥后拱座混凝土是否会开裂，并通过相关的构造措施改善拱座的抗裂性能［7—9］。然而，下承式刚性系杆钢管混凝土拱桥为外部静定的简支形式，与简支梁梁端转角在运营过程中不断变化类似，在桥梁正常运营过程中，下承式刚性系杆钢管混凝土拱桥拱座也存在不断变化的微小自由转动。该类拱桥的上部结构为内部超静定结构［10］，拱座微小自由转动很可能对拱肋、刚性系杆的内力分布存在较大影响，使得拱座处的应力出现设计时未能考虑到的分布形式，则拱座微小转动则很可能会加剧拱座混凝土开裂。

基于下承式刚性系杆钢管混凝土拱桥的结构特点，以实际工程为背景，分析了拱座微小自由转动对于拱桥结构内力的影响，进而探讨了拱座的微小自由转动是否是促使拱座开裂的又一个重要因素。 1 工程概况

某下承式钢管混凝土刚性系杆拱桥位于南阳市规划的城市道路——光武路上，主拱肋采用钢管混凝土空间桁架式结构，拱轴线采用二次抛物线，计算跨径为180 m，计算矢高36 m，矢跨比H/L=1/5。主桥桥型总体布置图(如图1)。单片拱肋高4.5 m，宽3.0 m，拱肋中靠近拱座的I、II节段四根主弦杆采用φ120×22 mm钢管，其余节段四根主弦杆采用φ120×22 mm钢管，主弦杆内灌注微张或无收缩C55混凝土;两上弦杆间及两弦杆间平联杆采用φ630×14 mm钢管，管内灌注微膨胀或无收缩C55混凝土;腹杆采用φ660×12 mm的空钢管，共同组成四

肢空间桁架结构。

刚性系杆采用预应力混凝土箱梁单箱单室结构，其尺寸为(宽×高)为2.5 m×3.5 m，其壁厚为0.3 m，如图2所示。吊杆采用单吊杆布置，顺桥间距为8 m，拉索由121根φ7镀锌高强低松弛预应力钢丝组成，标准强度为f pk=1 670 MPa;单吊杆布置，顺桥间距为8 m。系杆横梁采用预应力混凝土“T”形梁，高2.5 m，上翼缘宽0.8 m，肋板宽0.4 m。端横梁为预应力钢筋混凝土箱形截面，其截面尺寸(宽×高)为4.5 m×4.35 m，腹板和顶板厚为1.0 m。拱座、拱肋截面及刚性系杆截面的相关示意图(见图2)。 图1 主桥桥型布置图 2 分析模型

图2 拱座结点及相关截面示意图

在分析中，基于成桥状态建立有限元模型。拱肋截面是四肢钢管截面，若单肢钢管混凝土拱肋均以梁单元模拟，此种形式会把弯矩转化为每肢钢管混凝土的轴力，不易观察拱脚处拱肋总体弯矩变化，因此，以全截面四肢钢管混凝土作为拱肋梁单元截面，并以双单元模拟，即钢管混凝土中的钢管与混凝土分别用不同的单元来模拟，保证节点坐标相同，并耦合自由度，以方便考虑混凝土收缩徐变［11］。 系杆、吊杆横梁、端横梁以空间梁单元模拟、吊杆以空间桁架单元模拟。拱座为钢筋混凝土实体构件，刚度大，使用质量单元进行模拟，并以主从关系模拟拱座与拱肋、系杆的连接。拱座约束为简支。以大型有限元分析软件MIDAS/CIVIL为分析工具，在模型中依据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2004)［12］中相关规定考虑了拱肋管内混凝土以及系杆的收缩徐变、以及预应力钢筋的松弛。分析中收缩徐变、预应力松弛时以一年(365 d)为基准。全桥模型(见图3)

3 拱脚微小转动引起内力分析

下承式刚性系杆钢管混凝土拱桥的拱座处，拱肋、刚性系杆、端横梁固结。拱脚微小转动引起拱座处内力分布变化程度可通过拱脚微小转动引起的拱肋、刚性系杆内力的变化观察，因为拱肋、刚性系杆端头的弯矩、剪力、轴力即为作用在拱座的弯矩、剪力、轴力。

分析拱脚微小转动引起拱座处内力分布变化程度，以恒载作用下，即考虑重力、预加力(计入预应力损失)、弹性压缩、收缩徐变，的两种工况下静力分析实现。两种工况分别为:(1)拱座发生微小转动;(2)拱座转角为零。其中，拱座发生微小转动的工况以拱座简支，即允许自由转动实现;拱座转角为零的工况，以约束拱座节点转动自由度实现。 图3 全桥模型

拱肋、刚性系杆主要截面内力结果对(见图4)。其中，横坐标为截面位置，纵坐标为相应内力值。由于结构的对称性，仅给出单片拱肋与其刚性系杆的结果。关键截面内力以及相关位移求解结果(见表1)。内力正负号规定为:弯矩指向面外为负，指向面内为正;轴力压为负，拉为正;剪力绕构件逆时针为负，顺时针为正。 由图4和表1可以看出:

(1)拱座转动的幅度非常小，仅为0.018 038°;

(2)由图4给出的内力对比结果可以看出，拱座不允许自由转动时，与拱座允许转动的情况相比，拱肋和刚性系杆上的关键截面的弯矩分布有很大差异，如图4(a)和图4(d)所示;但拱肋和系杆的轴力分布改变的不是很明显，如图4(b)和图4(e)所示。其中，拱脚截面和系杆端头截面的弯矩变化极为显著，由表 1可以看出，系杆端头分别为－4 341.88 kN·m与－8 678.21 kN·m，拱脚分别为173.42 kN·m与－10 296.7 kN·m;这表明，系杆端头截面的弯矩以及拱脚截面的弯矩对拱座微小的转动很敏感。

图4 拱肋、刚性系杆主要截面内力结果对比

表1 拱座发生微小转动和拱座转角为零时关键部位内力与位移对比拱座不允许－10 296.74 173.42拱脚轴力/kN －57 192.63 －57 897.48拱脚截面剪力/kN －559.68 －411.57系杆端头弯矩/(kN·m) －8 678.21 －4 341.88系杆端头轴力/kN －29 226.33 －28 724.22系杆端头剪力/kN －618.55 －433.61系杆端头位移 (竖向)/m 0.002 676 0系杆端头位移 (竖向)/m －0.123 848 －0.123 042拱座转角转动拱脚截面弯矩/(kN·m)对比项 拱座允许转动0.018 038° 0

(3)拱座不允许自由转动时，与拱座允许转动相比，拱肋和系杆的轴力以及系杆端头的水平向位移都变化很小，均不到5%。

通过本节的分析可知，拱座自由转角的微小变化(允许转动时拱脚的自由转角仅为0.018 038°)就带来桥梁拱肋、系杆弯矩内力明显的变化，其中，拱肋拱脚截面和系杆端头截面的弯矩改变尤为显著——系杆端头弯矩为拱座转角为零时两倍左右、拱脚截面的弯矩变成了反方向，且数值变化巨大。拱肋、刚性系杆端头的弯矩、剪力、轴力即为作用在拱座的弯矩、剪力、轴力，由此可知，拱座微小的转动，会使作用在拱脚上的弯矩发生大幅度的改变，即对拱座的自由转角的微小变化敏感，这主要是由于下承式钢管混凝土刚性系杆拱桥为内部超静定体系所致。

在实际工程，拱脚结点受力的复杂性与构造复杂性及几何形状的不规则，使得从理论上求解结点内的应力分布显得非常困难。因此，一般采用实验和有限元分析相结合的办法，定性地找到结点内的应力分布状况，再据此进行偏安全地采取加强构造措施［13］，而并未考虑拱座转动的影响。而在现实的桥梁中，施工初始安装、运营期间的重车过桥、桥头伸缩缝等均很可能带来拱座设计中未能考虑到的微小的自由转动，而此微小的自由转动带来的拱肋、系杆端头弯矩的巨大变化很可能造成拱座中受较大拉应力的区域配筋不足，从而导致拱座混凝土出现较大的裂缝。因此，此类拱桥拱座容易开裂的一个重要原因，很可能是由于作用在拱脚的弯矩对拱座微小自由转动很敏感。

4 结论

以姚湾东南公路桥为工程背景，探讨了刚性系杆钢管混凝土拱桥拱座微小转动对于此类拱桥拱脚处各构件内力的影响，由分析可知:拱座的微小自由转动会造成拱脚截面、系杆端头截面等关键截面弯矩很大改变，既拱座受力的巨大改变。在现实的桥梁中施工初始安装、运营期间的重车过桥，尤其是过桥头伸缩缝时的冲击作用等均有可能带来拱座设计中未能考虑到的微小的自由转动。拱座受力对此微小转动的敏感性，很可能是下承式钢管混凝土刚性系杆拱桥拱座开裂的重要因素之一。 后续研究需要对拱座微小自由转动所引起的拱座应力的变化规律进行分析，以便在进行下承式刚性系杆钢管混凝土拱桥拱座设计时充分考虑拱座转动带来的不利影响，使得拱座的设计更加安全可靠。 参考文献

【相关文献】

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