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黃河特大橋拱肋吊裝扣點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研討

來源:期刊VIP網(wǎng)所屬分類:路橋建設(shè)時間:瀏覽:

  摘 要:黃河特大橋主橋?yàn)?×380m提籃型上承式鋼管混凝土拱,鋼管拱總重量9082t,單元拱節(jié)最重412t,采用纜索吊吊裝、扣塔扣掛的方法施工。本文介紹了拱肋扣點(diǎn)的設(shè)計(jì)思路及結(jié)構(gòu)形式。
  關(guān)鍵詞:扣點(diǎn) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 扣耳 錨梁
  1、工程概況
  準(zhǔn)朔鐵路起點(diǎn)為山西省朔州市店坪站,終點(diǎn)為內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗紅進(jìn)塔站,全長206.231Km。黃河特大橋是準(zhǔn)朔鐵路跨黃河的一座特大橋,位于黃河中游龍口峽谷段,全橋位于4.8‰及6‰的下坡道上,除東側(cè)引橋位于R=600m的曲線段外,其余均位于直線地段。橋全長655.60m,主體結(jié)構(gòu)按照鐵路雙線橋設(shè)計(jì)。
  黃河特大橋主體結(jié)構(gòu)采用提籃式鋼管混凝土拱橋,由兩根主拱肋與橫向聯(lián)結(jié)系組成,內(nèi)傾角采用8°。拱肋計(jì)算跨度為360m,矢跨比1/6,每根拱肋由4肢φ1500mm壁厚30~50mm鋼管組成。鋼管拱全長由32段基本段與1段合攏段組成,采用纜索吊裝、斜拉扣掛方法施工,根據(jù)鋼管重量結(jié)合纜索起重機(jī)設(shè)計(jì)吊裝能力,前6段采用單肢吊裝,其余采用整體吊裝的施工方法。
黃河特大橋各分段重量表
節(jié)段號 S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8
重量(T) 412 251 313 257 328 240 263 244
節(jié)段號 S9 S10 S11 S12 S13 S14 S15 S16
重量(T) 246 217 221 218 222 207 207 214

  2、設(shè)計(jì)方案
  拱肋扣點(diǎn)作為扣索與拱肋連接的節(jié)點(diǎn),其重要性不言而喻。由于拱肋節(jié)段重量各不相同,大小、角度各異,作為索力傳導(dǎo)的關(guān)鍵部位,扣點(diǎn)的設(shè)計(jì)有一定的難度。扣點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性還直接關(guān)系到拱肋的吊裝重量、操作的便利性。通過研究選定了兩種扣點(diǎn)形式。
  2.1 鋼錨梁型扣點(diǎn)
  扣索拱肋端采用鋼錨梁。通過在上弦鋼管之下設(shè)置鋼錨梁,連接吊裝的主拱肋與扣索。鋼錨梁通過拱肋的節(jié)點(diǎn)板支承拱肋,并以螺栓與拱肋節(jié)點(diǎn)板的綴板臨時連接。
  優(yōu)點(diǎn):
  (1)扣索力由錨梁傳于拱肋上,對拱肋的直接影響小;
  (2)減少傳統(tǒng)的扣點(diǎn)由于焊縫過多給主結(jié)構(gòu)帶來的不利影響。
  缺點(diǎn):
  (1)自重很大,浪費(fèi)材料;
  (2)由于扣索要穿過上弦拱管,經(jīng)過橫向連接系,有可能會產(chǎn)生干擾,需加設(shè)臨時橫撐,扣點(diǎn)的位置也需要事先精確定位。
  2.2 扣耳型扣點(diǎn)
  采用在鋼管拱上直接焊接扣耳板,通過錨箱、錨具與扣索連接。
  優(yōu)點(diǎn):
  (1)拱肋、扣點(diǎn)受力明確;
  (2)結(jié)構(gòu)輕巧、簡單,便于施工。
  缺點(diǎn):
  (1)角度越平緩就需要很長的焊縫,損傷母材;
  (2)由于黃河橋頂升混凝土?xí)r不拆除扣索,所以造成扣點(diǎn)拆除困難,可能會傷及拱管內(nèi)混凝土。
  3、扣點(diǎn)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析
  計(jì)算分析采用通用有限元程序ANSYS,基于混合單元方法同時建立施工過程拱肋及扣塔系統(tǒng)的梁單元模型和扣掛系統(tǒng)區(qū)域板單元計(jì)算模型。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和施工方案,選取具有代表性的施工階段和關(guān)鍵位置進(jìn)行分析。具體選擇選取1/4跨處和跨中兩個扣掛系統(tǒng)的節(jié)段進(jìn)行局部受力性能的分析。
  3.1 工況分析
  計(jì)算時,將系統(tǒng)(包括塔架、扣索等)受到的縱橫向風(fēng)力荷載與扣塔自重、扣索力等荷載進(jìn)行組合,分別對組合后的各工況進(jìn)行計(jì)算。施工過程中,拱肋的自重為所有荷載的主要部分,另外考慮當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)速及風(fēng)向的不同,分取三個計(jì)算工況:
  工況一:全橋自重×1.3+扣索力;
  工況二:全橋自重×1.3+扣索力+橫橋向極限風(fēng)荷載(34m/s);
  工況三:全橋自重×1.3+扣索力+順橋橋向極限風(fēng)荷載(34m/s);
  考慮到施工過程中其它未知因素,計(jì)算時拱肋自重取實(shí)際重量的1.3倍;另外,所加風(fēng)荷載按當(dāng)?shù)貥O限風(fēng)速34m/s考慮,即驗(yàn)算最不利的條件下,結(jié)構(gòu)的安全性能。
  3.2 結(jié)構(gòu)受力計(jì)算
  對扣點(diǎn)結(jié)構(gòu)及扣點(diǎn)附近的拱肋本身進(jìn)行承載力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)分析。
  3.2.1 扣耳型
  對于1/4節(jié)段,扣耳同鋼錨箱通過鋼銷相連,拱肋的重量及外荷載通過扣耳經(jīng)鋼銷、鋼錨箱和拉索并最終傳遞到扣塔上面,扣耳應(yīng)力分布圖如圖5所示。
  根據(jù)我國《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》,Q345D鋼材的容許應(yīng)力為200Mpa。
  在工況下,扣耳處整體應(yīng)力基本控制在30MPa以內(nèi),在扣耳孔處存在應(yīng)力集中,達(dá)到95.3Mpa;扣耳板同上拱肋相接處存在應(yīng)力集中,達(dá)173Mpa。
  上拱肋的整體應(yīng)力基本控制在30MPa以內(nèi),同扣耳板相接處存在應(yīng)力集中,達(dá)170Mpa;下拱肋的應(yīng)力分布較為均勻,基本控制在30MPa以內(nèi),在端部同梁單元耦合處存在應(yīng)力集中,達(dá)到117Mpa。
  十字撐和加勁環(huán)處的應(yīng)力基本控制在50Mpa以內(nèi),在扣耳處均存在應(yīng)力集中,其中,加勁環(huán)局部應(yīng)力達(dá)到170Mpa,十字撐則達(dá)99.8Mpa。
  平連板以及平連板縱肋,綴條的應(yīng)力分布較為均勻,均控制在70Mpa以內(nèi);上下拱肋之間的工字鋼應(yīng)力控制在30Mpa以內(nèi);節(jié)點(diǎn)板的應(yīng)力分布較為均勻,大部分控制在20Mpa以內(nèi),同拱肋相接處存在應(yīng)力集中,達(dá)到47.3Mpa。上述構(gòu)件雖有應(yīng)力集中,但最大應(yīng)力均遠(yuǎn)小于200Mpa,構(gòu)件安全。
  另外,上橫撐、下橫撐、上斜前撐、上斜后撐、斜撐和中豎撐應(yīng)力均很小且均勻,在相接處稍有應(yīng)力集中,但基本控制在20Mpa以內(nèi),可見,該類支撐在拱肋施工階段主要起穩(wěn)定作用。
  從上圖可以看出,錨箱的應(yīng)力總體在50Mpa以內(nèi),但在下?lián)醢逄帲瑧?yīng)力達(dá)到195Mpa。
  拉帶的應(yīng)力不大,且分布較為均勻,在耳口處存在應(yīng)力集中,達(dá)到81.2Mpa;連接板在同下?lián)醢暹B接的區(qū)域存在著較高的應(yīng)力集中,達(dá)到185Mpa。另外,上擋板的應(yīng)力僅為4.26Mpa,說明其在施工過程中僅對鋼錨箱起整體穩(wěn)定的作用。
  3.2.2 挑梁型
  其中,鋼挑梁下翼板大部分應(yīng)力控制在100Mpa以內(nèi),但在翼板兩端拉索錨固區(qū)域存在著較大的應(yīng)力集中,高達(dá)195Mpa;挑梁橫向加勁板大部分區(qū)域應(yīng)力控制在50Mpa以內(nèi),兩端拉索錨固區(qū)域亦存在著較大的應(yīng)力集中,高達(dá)195Mpa;挑梁縱向加勁板應(yīng)力大部分控制在50Mpa以內(nèi),兩端拉索錨固區(qū)域亦存在較大的應(yīng)力集中,達(dá)到190Mpa;連接鋼挑梁和上拱肋的肋板同上拱肋相交的部分存在著應(yīng)力集中,高達(dá)240Mpa,所以在連接肋板部位加入了翼緣板,最終局部應(yīng)力達(dá)到180 Mpa,滿足要求。
  其它構(gòu)件之間在相接處亦存在應(yīng)力集中,但集中程度不嚴(yán)重,且最大應(yīng)力都控制在100Mpa以內(nèi),構(gòu)件安全。
  4、結(jié)語
  拱肋越靠近跨中,角度越平緩,如采用扣耳型扣點(diǎn)的話,其與拱肋的焊縫主要承受與焊縫方向平行的剪應(yīng)力,這樣就需要設(shè)計(jì)很長的角焊縫,不利于發(fā)揮結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢,易帶來安全隱患,還會傷及拱肋母材,所以采用錨梁型扣點(diǎn)。
  而靠近拱腳處拱肋,扣索施力方向與扣點(diǎn)焊縫方向幾近垂直,設(shè)置扣耳型扣點(diǎn)的話,就可以發(fā)揮結(jié)構(gòu)輕便、受力明確的優(yōu)點(diǎn)。
  準(zhǔn)朔黃河特大橋在靠近拱肋處節(jié)段采用扣耳型扣點(diǎn),靠近跨中處節(jié)段采用錨梁型扣點(diǎn),充分發(fā)揮了各自結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢,節(jié)約成本,施工操作性強(qiáng),值得同類型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的借鑒。

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