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。