桁架拱桥（共7篇）
桁架拱桥 篇1
0 引言
结合某桁架拱桥加固实例,分析了桁架拱桥病害产生的成因,研究探讨维修加固的技术方案和措施,以便为同类病害桥梁提供借鉴。
1 现状桥梁结构分析及病害调查
桥梁主桥为净跨30 m钢架拱桥,矢跨比1/10,两侧设置引桥,引桥长均为4.5 m,桥梁全长41.64 m。桥面布置为0.35 m(护栏)+2.35 m(人行道)+14.60 m(行车道)+2.35 m(人行道)+0.35 m(栏杆)=20.00 m,桥面设置1.5%双向横坡。
桥梁上部结构由7榀拱肋组成,拱肋间设置横梁,并架设微弯板。桥梁拱肋宽均为30 cm,中间5榀间距335 cm,两侧的2拱肋间距157 cm。桥梁下部结构为浅基础,桥台为重力式,拱脚处对应拱肋位置设置7根混凝土立柱,直径为60 cm,立柱顶设置盖梁。
桥梁主要病害为:
1)钢筋混凝土拱肋在跨中及1/4L附近,竖向裂缝较多,裂缝从截面下缘往上发育,属结构性裂缝,最大缝宽为0.25 mm。主要原因推断:本桥为预制钢筋混凝土构件,在一定的荷载作用下,结构将开裂,并由钢筋承担相应荷载;有超过设计荷载的重车通行,造成跨中裂缝过大。由于城市建设发展需要,周边工地较多,工程车辆超载频繁,整车重量一般超过20 t的比较多。现状桥上交通量多,偶尔有多辆重车一起通过。
2)端部混凝土严重开裂、破损,且有断裂趋势,分析原因为:由于桥台不均匀沉降及超重载车辆大量通行所致。
3)钢筋混凝土横梁与施工工艺不到位,现状横梁存在不同程度的缺陷,其中包括混凝土裂缝、横梁靠外两侧水蚀、横梁表面混凝土大面积挤碎破损、横梁钢筋外露锈蚀等。分析原因为:由于桥台不均匀沉降及超重载车辆大量通行所致。
4)微弯板普遍出现了局部不规则裂缝,且主要在支点附近,主要原因推断如下:施工过程中,底模变形,导致板厚度不均匀,存在薄弱断面;预制构件吊装过程中,碰撞导致局部破损,或安装不到位导致局部脱空;桥面有杂物或行车不平顺,在车辆荷载冲击作用下,偏薄处受剪、受弯开裂。部分微弯板整体碎裂,且伴有雨水渗出。分析原因为:由于桥台不均匀沉降及超重载车辆大量通行,导致横梁及拱肋破损、开裂严重,从而使微弯板凹陷、桥面铺装层破损,雨水通过桥面渗入桥梁上部承重结构。
2 桁架拱桥上部维修加固方案
根据桥梁现状,提出如下加固内容:由于早期施工条件限制,桥梁整体性能较差,本次建议整体凿除原桥面、主桥微弯板、引桥现浇板,对拱肋进行粘钢加固,并新增设中横梁,桥面采用C50钢纤维混凝土铺装。
为了便于附近居民及过往车辆过桥,本次桥梁整修建议采用分幅封闭交通施工,加固施工工序如下:
1)行车道区域交通封闭,两侧人行道放开交通。凿除桥面沥青、混凝土铺装,同时拆除D40型伸缩缝,凿除主桥微弯板及引桥现浇板,拆除人行道板侧石及50 cm范围内的青石板人行道铺装。
2)凿除拱肋原混凝土加固区域,查看原拱肋病害并及时修复,随后对拱肋上弦杆进行粘钢加固,下弦杆裂缝封闭后进行双层碳纤维加固。
3)新增40道中横梁,增加桥梁横向联系,加强桥梁整体性。
4)拱肋竖向尺寸加大,采用灌浆料进行浇筑。
5)桥墩台增设横梁,并对桥墩盖梁进行粘钢加固,架设预制桥面板,梁板交界处采用D25钢筋焊接,引桥侧进行现浇板梁施工。
6)浇筑12 cm C50钢纤维混凝土,内设置双层D12@10×10 cm钢筋焊网。
7)安装D40型钢伸缩缝。
8)待行车道桥面铺装养护到位后,开通通行,封闭人行道交通。
9)浇筑人行道板侧石,安装50 cm范围内人行道板铺装。
10)对加固区域进行防腐涂装。
加固后桥梁立面图见图1。
3 施工工艺
桁架拱桥由于构件都为预制后现场拼装,桥梁横向联系的保证是桥梁整体性的保证。原老桥横系梁与拱肋交接处开裂,现状拱肋多处于单片工作状态,导致拱肋底面出现较多裂缝,本次主要采用新建40道中横梁,加强桥梁整体性。
新建中横梁主要采用植筋方式与两侧拱肋连接,植筋施工工艺:定位→钻孔→清孔→钢材除锈→锚固胶配制→植筋→固化、保护→检验。
1)定位:按设计要求表示钻孔位置、型号,若基材上存在受力钢筋,钻孔位置可适当调整。
2)钻孔:钻孔孔径d+(4 mm～8 mm)(小直径钢筋取低值,大直径钢筋取高值,d为钢筋直径)。
3)清孔:钻孔完毕,检查孔深、孔径合格后将孔内粉尘用压缩空气吹出,然后用毛刷将孔壁刷净,再次压缩空气吹孔,应反复进行3次～5次,直至孔内无灰尘碎屑,最后用棉布蘸丙酮拭净孔壁,将孔口临时封闭。若有废孔,清净后用植筋胶填实。钻孔内应保持干燥。
4)植筋:垂直孔植筋将胶直接流、捣进孔中即可;钢筋、螺栓可采用旋转或手锤击打方式入孔,锚固胶填充量应保证插入钢筋后周边有少许胶料溢出。
5)固化、保护:植筋胶有一个固化过程,日平均气温25℃以上12 h内不得扰动钢筋,日平均气温25℃以下24 h内不得扰动钢筋,若有较大扰动宜重新植。
4 结论与建议
本文结合实际工程情况,对桁架拱桥病害及加固方案进行了研究,并结合检测单位检测报告,进行了全面的分析,在此基础之上,对加固方案进行优化补充,有效加强工程的质量。
摘要：结合某一具体工程项目,全面详细总结了桁架拱桥的主要病害,并根据病害原因,重点讨论了桁架拱桥上部维修加固方案,并对其施工工艺进行了阐述,以期创造出最佳的维修加固效果。
关键词：桁架拱桥,加固方案,结构分析
参考文献
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[5]JTG/T J22-2008,公路桥梁加固设计规范[S].
[6]JTG/T J23-2008,公路桥梁加固施工技术规范[S].
桁架拱桥 篇2
钢筋混凝土桁架拱桥因为具有省材料、造价低、施工简便和外形美观等优点, 在二十世纪六七十年代江南公路上广泛应用, 对推动当时公路桥梁建设起了很大的作用。近年来, 随着我国社会经济的快速发展, 当初设计荷载标准已经满足不了现代社会的要求, 部分桁架拱桥需要拆除重建, 由于桁架拱桥特殊的结构形式和较为复杂的受力状况, 在一些老桥改造项目中, 拆除桁架拱桥时整体垮塌的事故时有发生。2006年5月1日六合大桥被船撞击后成为危桥, 为防止此类事故的再次发生, 在宁通公路六合大桥的拆除过程中, 研究制定了切实可行的拆除方案, 保证了整个拆除过程的安全、顺利。
1 六合大桥工程概况
六合大桥位于六合区雄州镇, 跨越滁河, 修建于1982年, 设计荷载为汽车—20级, 挂车—100级;全长320.81 m, 桥型为7×44 m连拱肋拱桥;桥面车行道宽15 m, 两侧人行道各宽1.7 m, 桥梁总宽18.4 m。既有桥虽经多次修缮, 但部分拱肋立柱钢筋裸露, 而且裂缝多, 桥梁在汽车通行时上下振动都很大。2006年5月1日该桥被船撞击后, 中间桥孔北侧拱肋断裂, 已经成为危桥。
上部结构由桥面、桁架支撑和拱体构成。拱肋安装时采用龙门吊沿桥纵向进行吊装, 每次吊装一片预制桁架片 (长度为半跨) , 然后将桁架片在跨中位置两两采用钢板焊接对接。
下部结构由桩基、承台和接柱构成, 桥梁两侧挑梁处架设通讯光缆、自来水管道、电力设施。
2 六合大桥拆除方案的研究过程
第一次拆除方案:
拆除按照“先建后拆、后建先拆”的原则实施, 拆除顺序按“整体支撑, 逐个吊走”的施工方案。拆除水中三孔是拆除的关键, 根据逆推法确定初步拆桥方案。为防止拆除过程中的整孔垮塌, 拆前需进行加固处理:在第二, 三, 五, 六孔桥跨拱顶, L/4, 3L/4处下面搭设临时双排支架。第三, 五孔为水中孔, 需打钢管桩再搭支架, 通过连接, 使支架形成整体, 从而将原先的“7孔联拱”变成“独立单拱”。构件拆除顺序:先拆除栏杆、人行道、桥面混凝土、微弯板、横隔板、端横梁等, 再拆除拱肋, 最后拆除承台和部分桩基。
整片拱肋的重量、体积均较大, 整片凿开吊运施工难度大, 按既有老桥的分段在接头处切断后逐段拆除。为避免整跨拱肋拆除后造成相邻跨拱肋的失稳, 拱肋不采用逐跨拆除, 尽量减少拱肋不平衡拆除产生的水平推力, 在保证桥下不断航的条件下, 对49片拱肋采取的拆除顺序为:拆除第四孔第1片, 第2片→第一孔, 第七孔, 第六孔, 第二孔, 第五孔, 第三孔第1片, 第2片→第四孔第3片, 第4片→第一孔, 第七孔, 第六孔, 第二孔, 第五孔, 第三孔第3片, 第4片→第四孔第5片, 第6片, 第7片→第一孔, 第七孔, 第六孔, 第二孔, 第五孔, 第三孔第5片, 第6片, 第7片。
优点为通过支架加固使原7孔联拱变成为独立单拱, 联拱作用消除, 可避免拆除过程中整孔垮塌。缺点为拆除工期较长, 临时投入较多。
第二次拆除方案:
受工期要求在方案一的基础上调整如下:对桁架片采取纵向分段、横向分组的吊装拆除方法。根据分段部位选用岸上孔无支架法和水中孔支架法进行施工。纵向分为三段:其中岸上第一、二跨为第一段, 水中第三～第五跨为第二段, 岸上第六、七跨为第三段。横向分为四组:将7片桁架拱片按每两片桁架拱片为一组 (其中北侧边缘单桁架拱片为一组) 。第一、三段采用无支架拆除, 第二段采用有支架拆除。施工共分三个阶段进行, 其中第一阶段以人工配合小型机具及镐头机拆除全桥拱上建筑;第二阶段用浮吊 (拆除河中三跨) 和镐头机 (拆除岸上四跨) 拆除拱肋;第三阶段以镐头机和水中凿岩机凿除水中承台, 再以水下切割设备切割水下桩基部分。
本方案为逐孔拆除, 先拆除水中孔后拆除岸上孔, 具体的问题为:既有桥2号和5号墩承台在一孔拱片 (其下无支承) 的水平推力作用下承台位移是3.0 mm, 桩顶钢筋拉应力520 MPa, 已经达到钢筋的极限强度 (520 MPa) , 水中三孔存在整孔垮塌的风险。为消除这种风险, 考虑在跨中、1/4跨分别加支承。为防止其他意外事件的发生应在既有桥第二, 六孔拱肋跨中和1/4点做些必要的支承, 这样第二孔, 第六孔拱肋对3号和4号墩的水平推力将减小很多, 以确保第三孔, 第五孔顺利拆除。
既有桥2号和5号墩在一孔拱片的水平推力作用下的计算结果汇总表见表1。
最后剩2片拱肋 (中间连接保留) 时, 稳定分析结果, 在百年一遇风压 (0.45 kPa) 作用下稳定系数为7.48>4, 可见风荷载的影响对于结构而言是安全的。
第三次拆除方案:
全桥纵向七孔, 在岸上的第一孔, 第二孔, 第六孔, 第七孔采用无支架拆除, 在水中的第三孔～第五孔采用活动支架拆除。拆除施工按四阶段进行, 其中第一阶段以人工配合小型机具及镐头机拆除水中三孔拱上建筑;第二阶段以镐头机直接在侧面拆除岸上的第一、二孔, 第六、七孔;第三阶段用浮吊吊装拆除水中三孔拱肋;第四阶段以镐头机和水中凿岩机凿除水中承台, 再以水下切割设备切割水下桩基并吊上岸破解。
本方案仍为逐跨拆除过程, 先拆除岸上孔再拆除水中孔, 单孔拱肋在临孔拱肋全部拆除后存在的状态是有很大风险的。具体问题如下:
1) 在拆除第一孔, 第七孔拱肋以后, 在拱上建筑等的作用下桥墩所受的水平推力达到6 080 kN, 远大于原桥计算书中承台最大容许水平推力3 500 kN, 理论上讲在该工况下难以保证第二孔, 第六孔不出现垮塌。
2) 既有桥3号和4号墩承台 (水中墩) 在一孔拱片的水平推力作用下承台位移是8.5 mm, 桩顶钢筋拉应力520 MPa, 已经达到钢筋的极限强度 (520 MPa) 。一孔拱片若临孔剩4片拱肋的水平推力作用下承台位移是3.0 mm, 桩顶钢筋拉应力34.5 MPa, 远未接近钢筋的极限强度 (520 MPa) 。为防止其他意外事件的发生, 第四孔拱肋不能一次全部拆完, 即剩4片, 这时再去拆第三孔, 第五孔拱肋, 同时每孔均不要一次全部拆除完。
既有桥3号和4号墩在一孔拱片的水平推力作用下的计算结果汇总表见表2。
第四次拆除方案:
综合方案二和方案三及论证会上意见, 最终实施方案修正为:全桥纵向七孔, 在岸上的第一孔, 第二孔, 第六孔, 第七孔采用无支架拆除, 在水中的第三孔～第五孔采用活动支架拆除。
具体水中三跨拱片的拆除顺序是:第四跨第一组拱片4-1-b→4-1-a→第四跨第二组拱片4-2-b→4-2-a→第三跨第一组3-1-b→3-1-a→第三跨第二组3-2-b→3-2-a→第五跨第一组5-1-b→5-1-a→第五跨第二组5-2-b→5-2-a→第四跨第三组拱片4-3-b→4-3-a→第四跨第四组拱片4-4-b→4-4-a→第三跨第三组3-3-b→3-3-a→第三跨第四组3-4-b→3-4-a→第五跨第三组5-3-b→5-3-a→第五跨第四组5-4-b→5-4-a。
既有六合大桥桁架片吊装分组图见图1。
水中三跨拆除的同时岸上四跨也进行拆除, 岸上每孔均不要一次全部拆除完, 每孔保留最后4片拱肋, 待水中四孔全部拆除完毕后再行拆除。
3 结语
钢筋混凝土桁架拱桥的拆除极易发生事故, 只有制定出详尽可行的方案, 并通过科学的论证确保每个拆除环节均是安全的, 才能保证拆除过程的安全顺利。本桥从2007年5月12日开始拆除老桥至6月15日最后一片拱肋拆除完毕历时34 d, 期间未发生安全事故。六合大桥的安全拆除为设计、施工积累了宝贵和有益的经验。
摘要：通过对宁通公路六合大桥拆除方案的分析和研究, 初步探索了钢筋混凝土桁架拱桥安全拆除的方案, 实践证明, 该钢筋混凝土桁架拱桥通过制定可行的拆除方案, 保证了拆除过程的安全、顺利进行。
关键词：钢筋混凝土,桁架拱桥,拆除,方案研究
参考文献
浅谈钢筋砼桁架拱桥拆除施工技术 篇3
莺歌桥位于江苏省镇江市谏壁镇境内, 老桥采用三孔桁架拱桥的形式, 每孔净跨36米, 设计荷载为汽-20、挂-100, 桥面行车道宽9m, 两侧人行道2×1.5m, 桥梁与河流交角35°18'30"。下部结构每墩采用双排10根直径100cm的灌注桩组成, 上部结构桥梁横向6片拱片。
2 拆除方法及拆除顺序
采用搭设支架配合风镐、捣机的方法, 按照“先建后拆、后建先拆”、“纵向六条拱肋依次拆除”的原则实施, 桁架拱的拆除顺序按“整体支撑, 逐条对称拆除吊离”的施工方案。
全桥纵向三孔, 拟分别在每跨1/4L (11.5m) 及3/4L (24.5m) 处各设一个临时支墩。支墩采用两排共12根 (每排6根, 设在拱肋下) φ400钢管桩基础, 横向用10号槽钢剪刀撑固定形成整体, 其上用I28号工字钢作为分配传力梁, 工字钢梁上采用2组贝雷片作横梁, 上铺设型钢及木楔支撑。
拆除按以下四个阶段进行: (1) 第一阶段:以小型机具拆除全桥栏杆、人行道板等附属构件; (2) 第二阶段:以捣机及小型机具拆除全桥的桥面砼、微弯板等; (3) 第三阶段:桥下搭设支架, 逐条对称拆除纵向六条拱肋, 吊车吊离, 运至堆料场统一破碎; (4) 第四阶段:以捣机破除水中承台、灌注桩等构件。
桁架拱片的拆除顺序如上表所示为1-1>1-3>1-2;6-1>6-3>6-2;2-1>2-3>2-2;5-1>5-3>5-2;3-1>3-3>3-2;4-1>4-3>4-2。
3 拆除方法
3.1 准备工作
(1) 道路封闭。施工前, 经路政、交警等主管部门审批, 老桥两端用彩钢瓦全部围护, 并设置了齐全的交通管制标志牌, 实行全封闭施工, 派专人负责值勤看护, 严禁非施工人员和车辆进入施工区域。
(2) 选择堆放场地。拆除的桁架拱片及其它砼构件, 在堆放场地用捣机破碎后, 统一外运至弃土场。
(3) 人员、设备投入。拆除施工队投入施工人员约30人, 其中:现场负责人1人, 专职安全员2人, 起重工6名, 钢筋切割6名, 起重指挥2名, 砼拆除工10人, 捣机驾驶员2名, 自卸车驾驶员1名。投入拆除设备15台, 同时根据现场施工需要随时增加, 拆除设备见表1。
3.2 栏杆、人行道及桥面系拆除
(1) 栏杆、人行道拆除。采用“人工结合风镐”的方式分段拆除。拆除栏杆时, 先用吊车固定拆除段栏杆的立柱, 防止拆除过程中立柱向外侧倾倒, 把栏杆整体带入河中, 然后拆除栏杆拉杆、凿断立柱根部, 吊车吊离, 运至场外。破除人行道板时采用水平方向向内侧 (桥面方向) 破除, 防止大块的混凝土坠落河中。栏杆、人行道拆除结束后及时清理散落在桥面上的砼碎渣。
(2) 桥面砼拆除。桥面砼拆除采取捣机和人工结合风镐拆除的方式。桥面系破除前, 先在桥面上准确放样, 画线标记出所有桁架拱片及横系梁的位置。两台捣机履带沿标记分别置于拱肋上, 如拱肋宽度与履带宽度不等时, 需用钢板将破碎机自重传递于两片或三片拱肋上。主要拆除的步骤为:两台捣机从跨中分别向两桥头方向倒退对称拆除, 先利用捣机对桥面进行初步破除, 即捣机停留在老桥上, 在桥面上凿出坑洞 (坑洞深度不超过微弯板顶) , 为防止捣碎时产生共振, 捣机履带下用废轮胎支垫, 然后人工利用风镐 (空压机) 进行细致的破碎。破除结束后, 及时清理砼碎渣。
3.3 微弯板拆除
微弯板同样按照从跨中向两端对称拆除的方法。桥面砼清除之后, 人工结合风镐 (空压机) 清理微弯板上的填料, 暴露微弯板。清理完填料后, 为保证拱肋在正式拆除前不受到破坏, 避免造成拱肋受力失稳, 用风镐 (空压机) 结合切割机凿开微弯板与拱肋的连接, 使微弯板脱离拱肋限制, 独立, 吊车停留在新建成的两侧慢车道桥上, 将微弯板逐块吊出, 运至堆料场, 使整个桁架拱肋完全暴露。
3.4 桁架拱片拆除
(1) 钢管支架搭设。微弯板拆除后, 开始进行钢管支架的搭设。分别在每跨1/4L (11.5m) 及3/4L (34.5m) 处各设一个墩, 支墩采用两排共12根 (每排6根, 设在拱肋下) φ400钢管桩基础, 桩距2.65×3米, 采用振动锤将钢管桩垂直击入河底持力层。横向用14号槽钢剪刀撑固定形成整体, 其上用I28号工字钢作为分配传力梁, 工字钢梁上采用2组贝雷片组合作横梁, 上铺设型钢及木楔支撑, 贝雷片排距为60cm, 组间净距为80cm。如右图所示。
(2) 桁架拱重量计算 (按拆除段进行划分) 。通过查阅莺歌桥老桥竣工图, 计算出每跨单片桁架拱的重量为36.62T。
(3) 桁架拱拆除。桁架拱拆除顺序按照平衡对称的原则, 逐条对称拆除纵向六条拱肋。采用人工风镐凿除法, 首先凿开两个拱片间的横系梁、剪刀撑连接, 用吊车固定住中段 (实腹段) 拱片, 再凿开14L、34L处老桥拱片安装时的接头, 分三次将实腹段、两侧桁架段吊离原位。拆除南边3片拱肋时, 两台吊车停在南侧慢车道桥上, 拆除北边3片拱肋时, 吊车停在北侧慢车道桥上。
(1) 实腹段拆除。首先人工用风镐对上下弦杆、斜杆、拱肋间的横系梁进行破除, 氧气割枪切割联接钢筋, 此时支架开始受力。在切割过程中同时用两台25T吊机稳定构件, 并在构件两端全部切割后起吊运至堆料场进行破碎。采用两点吊, 吊点以实腹段平面几何中心对称布置。实腹段重量为10.17T。
(2) 桁架段拆除。用两台25T吊机稳定住构件, 人工用风镐凿开拱脚连接, 单片桁架段每侧重量为13.2T, 同样采用两台吊机起吊至新桥上并用拖车运送至堆料场进行破碎。两台吊机起吊时采用四点吊, 吊点以桁架重心对称布置。
3.5 基础拆除
桁架拱片完全拆除后, 在老桥两个边跨的桥下回填土方, 整平夯实, 设置捣机的停放点, 距离满足要求, 能够完全凿除两边的承台。水中承台的拆除, 捣机停在驳船上, 凿除水中的承台和桩基, 破除至要求的深度。
3.6 场地、河道清理
作为拆除工作的重点, 调集足量的挖泥船、挖掘机、运输车、吊车、挖斗等施工机械, 集中力量, 在最短的时间内将河道清理干净, 恢复流水断面。
3.7 监控观测
监控观测是拆桥过程中一个非常重要的环节, 为此我部专门委任具有丰富测量经验的刘来新、余开松两名测量人员对本桥梁拆除的整个过程进行测量观测, 确保桥梁拆除的安全。
(1) 监控的内容。通过对结构的受力特点及既定老桥拆除方案的分析, 确定本次拆桥监控工作的重点是对桁架拱片拆除过程的监控, 主要内容为变形观测。变形观测的基本内容是:依据拆桥方案的拆除施工顺序, 对每一阶段各跨拱片四分点位置和跨中截面的竖向变形、各跨拱脚的空间变位进行测量。当监控发现出现异常时, 应立即通知现场负责人, 停止作业, 撤离现场人员, 避免事故的发生。主要以桥面及微弯板混凝土拆除过程、中跨桁架拱片的拆除作为观测、控制工作中的重点。桥面及微弯板混凝土拆除时, 主要监控被拆跨拱片的竖向位移、相邻水平位移以及邻跨拱片竖向位移;中跨拱片拆除时, 主要监控邻跨拱片的竖向变位。
(2) 监控的方法。在拆桥施工前需在河堤两岸建立稳定可靠的固定参考点, 为桥梁拆除过程中拱片空间变形的观测奠定基础。采用全站仪、高精度水准仪对拱片关键截面进行空间变位测量。在拱脚截面的桥墩承台顶面设置观测标志 (用红漆标记) , 用于拱脚空间变位的观测;在拱片1/4截面、跨中截面设置标高观测标志 (用红漆标记) , 用于拱片竖向变形的观测。
(3) 测点的标记。从安全以及方便测试的角度出发, 选择对拱片的1/4截面、3/4截面、拱顶截面进行竖向变形的观测, 选择对桥墩盖梁进行拱脚水平变位的观测。
(4) 变形测量工作。拆桥准备工作就绪后, 对全桥拱片、拱脚测点的高程、坐标进行测读, 记录初读数, 确定拆桥前的标高零点及坐标零点。待一个拆桥施工工序结束后, 进行一次变形观测, 并立即分析实测数据, 根据变形值的大小, 确定是否可进行下一步的拆桥施工
(5) 仪器设备。投入拆桥过程监控的主要设备有:DSZ2水准仪, 精度0.01mm;全站仪两台。
4 结束语
钢筋砼桁架拱桥的拆除极易发生事故, 只有制定出详尽可行的方案, 并通过专家会论证, 确保每个拆除环节均是安全的, 才能保证拆除的安全进行。莺歌桥拆除整理出的一套安全、快捷、经济的施工方案保证了拆桥施工的有序进行, 既保证了安全又加快了施工进度, 为以后类似拱桥拆除提供了一个比较好的施工方法。
参考文献
桁架拱桥 篇4
1 桁架拱桥加固改造的研究现状
从目前国内外对桁架拱桥加固改造的文献来看,桁架拱桥的病害主要集中在上部结构,即主拱圈、下弦杆、腹杆、系梁等,其主要加固方法有3种:
1)凿除原杆件钢筋混凝土保护层,浇筑钢筋混凝土补强截面,新旧截面依靠钢筋和混凝土紧密连接[1,2];
2)粘贴钢板或碳纤维布进行加固补强[3];
3)预制好补强杆件,再用电焊焊接钢板与原杆件相连,形成一个整体,共同受力[4,5]。
上述桁架拱桥的加固改造,均是针对上承式或中承式桁架拱桥病害特点提出的加固方法,而下承式桁架拱桥的加固改造却未见报道,该文结合某大桥的工程实例,对下承式桁架拱桥的加固改造进行了论述,以期起到抛砖引玉的作用。
2 下承式桁架拱桥病害类型及原因分析
下承式预应力混凝土桁架拱桥是一种无推力的拱式组合体系桥(图1),为外部静定、内部超静定结构,有混凝土桁架梁的特点,又兼有系杆拱的优点。这种桥型由拱肋、系梁、横梁、横撑、竖杆、斜撑、行车道梁、桥面系和墩台基础等组成。当桥面高程受到限制,地质条件不良,而桥下又要求保证较大的净空时,下承式预应力混凝土桁架拱桥是不错的选择方案。
下承式预应力桁架拱桥的力学性能和材料指标优于同等设计条件的单一结构体系,其特点是将主要承受压力的拱肋和主要承受弯矩的行车道板组合起来共同承受荷载,充分发挥组合结构中的各种构件的优点。
下承式预应力桁架拱桥因其自身特有的结构特点,其上部结构主要构件常见病害及成因分析如下:
1)拱肋拱轴线变形:拱肋出现裂缝,混凝土剥落,碳化严重,露筋或钢筋锈蚀,致使拱轴线变形。
2)预应力系梁开裂:系梁产生裂缝,钢铰线锈蚀加剧预应力损失,致使负荷大于其承载能力。
3)横梁露筋或钢筋锈蚀:横梁端节点受力过大,产生裂缝,致使露筋或钢筋锈蚀。
4)竖杆开裂:竖杆安装不当或者防护失效使钢铰线锈蚀或锚具作用发挥失常等导致竖杆开裂。
5)斜撑露筋或钢筋锈蚀:斜撑受力不均而产生裂缝,致使露筋或钢筋锈蚀。
在以上病害的综合作用下,会导致桥梁的承载能力降低和刚度下降。
3 工程实例
3.1 工程概况及病害
某大桥(图2)桥梁全长156.5 m。桥梁跨径组合为4×13 m+49 m+4×13 m,主桥为下承式预应力混凝土桁架拱桥,引桥为钢筋混凝土空心板,桥面全宽8.35 m。桥梁设计荷载:汽-15,挂-80级。该桥1997年12月建成。
根据检测报告及现场核查,该桥主要病害有:1)桥梁的刚度不能满足设计要求。2)上部结构:主桥斜撑和竖杆均有多处露筋,表面混凝土脱落,并且有多处环绕裂缝;主拱拱脚处混凝土开裂,露筋锈蚀。3)桥面铺装:主桥铺装平顺性较差,存在骨料外露现象。4)伸缩缝:全桥伸缩缝破坏严重,基本看不出有伸缩缝存在。5)栏杆、护栏:栏杆整体状况较差,存在断裂,缺失现象;栏杆混凝土开裂、露筋现象普遍,影响正常使用。
3.2 加固方法
1)主桥上部结构:
主桥拱肋、系梁、斜撑和竖杆的混凝土缺陷采用小石子环氧混凝土修补,对裂缝采用建筑结构胶进行封闭。(1)拱肋:拱肋的强度和刚度不足,采用外包型钢加固或粘贴钢板。主拱肋上缘粘贴工字钢或粘贴钢板法可以对主拱结点进行加固补强,加强组合构件结点处的连接,提高上部结构的整体刚度。这两种方法可以不破坏原结构的尺寸,施工简单,工期短,施工质量易控制。(2)系梁:为了提高桥梁整体承载力,可在系梁底部采用粘贴钢板法或粘贴碳纤维加固法进行加固。(3)斜撑:为了提高斜撑刚度,可在斜撑两侧面粘贴U型槽钢或是粘贴钢板。(4)竖杆:竖杆承载力不足,可采用粘贴碳纤维布提高其承载力。
2)桥面系:
修补主桥桥面铺装,封闭裂缝,更换栏杆为波形护栏。
3.3 上部结构加固方案的确定
3.3.1 拱肋、斜撑加固方案比选
采用“桥梁博士”计算软件,对全桥结构进行简化计算,系梁划分60个单元,拱肋划分54个单元,竖杆划分56个单元,斜撑划分24个单元,共194个单元,结构离散图如图3所示。
根据加固前后的结构进行计算,并对加固前后特殊点的挠度进行对比,同时按照荷载等级和组合对加固后的结构进行内力应力、主梁极限承载力计算,判断使用阶段应力、极限承载力及整体刚度是否符合规范要求。
主桥加固前后计算结果对比:
注:表1中组合Ⅰ是指正常使用极限状态下长期效应组合对应的竖向位移。
从表1可以看出,拱肋上缘贴工字钢和斜撑粘贴槽钢这种加固方法产生的竖向位移小,加固后全桥结构的刚度明显增强,结构自重作用下的跨中位移较加固前减少了14%左右,使用位移组合Ⅰ作用下的跨中位移较加固前减少了18.5%。说明粘贴型钢能较好的提高下承式桁架拱桥上部结构的刚度。
3.3.2 系梁加固方案比选
系梁横截面为矩形,如图4所示。
1)粘贴碳纤维布加固法
碳纤维布加固具有以下优点:(1)强度高,抗拉强度约为普通钢材的10～15倍;(2)加固后能提高结构的耐腐蚀性和耐久性;(3)自重轻,基本不增加结构自重及截面尺寸,柔性好,易于裁剪;(4)施工简便,不需大型施工机构及周转材料,易于操作,经济性好。
拟采用系梁底贴1层碳纤维布,厚度t=0.222 mm,经计算弯矩组合设计值Md=670.0 kN·m,加固后正截面抗弯承载力M1=752.1 kN·m,粘贴碳纤维加固后正截面抗弯承载力大于弯矩组合设计值,加固后能满足要求[6]。
2)粘贴钢板加固法
使用粘贴钢板法加固有以下优点:(1)不会破坏被加固结构的外形,施工质量易于控制;(2)桥梁自重增加较小;(3)施工简便。
拟采用系梁底粘贴厚6 mm、宽250 mm的Q235钢板加固。经计算,加固后正截面抗弯承载力M2=741.6 kN·m,粘贴钢板加固后正截面抗弯承载力大于弯矩组合设计值,加固后能满足要求。
3)加固比较及分析
由计算结果可知,M1>M2>Md,粘贴碳纤维布的加固效果优于粘贴6 mm厚Q235钢板;从造价上看,每平米6 mm厚的Q235钢板约1 250元,每平米0.222 mm厚的碳纤维布约为850元,使用碳纤维布较钢板更为经济。
3.4 加固效果
该桥加固改造已于2010年5月完成,建设方在本桥加固前后做了荷载试验进行对比分析,结果表明:在拱肋上缘粘贴工字钢,在斜撑粘贴槽钢,在系梁底粘贴碳纤维布的综合加固方法增大了大桥的刚度,提高了桥梁的承载力,取得了良好的加固效果。该桥至今已正常营运近3年,取得了良好的社会效益和经济效益。
4 结 语
a.大桥的加固实例表明:在拱肋及斜撑粘贴型钢,在系梁底粘贴碳纤维布的综合加固方法能有效地增强桥梁的整体刚度,提高结构承载力,施工方便,成本较低,且不影响桥梁在加固期间的交通畅通。总之,采用该综合方法加固桥梁效果明显。
b.通过对下承式预应力混凝土桁架拱桥病害分析及加固改造,填补了以往桁架拱桥的加固只涉及到上承式或中承式桁架拱桥这一空白,使桁架拱桥的加固范围更加全面。
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两支撑三节段四点吊拆除桁架拱桥 篇5
原胡家圩大桥为一跨径50.8 m、矢高5.5 m的单跨桁架拱桥。桥面宽5 m, 桥面系总宽6 m。弦杆已受损, 曾经进行过修补, 属危桥。本次桥梁改造是在原址拆建, 故原胡家圩桥需进行拆除。
桁架拱桥的上部结构一般是由桁架片、横向联结系和桥面三部分组成, 其主要承重结构是桁架拱片。桁架拱桥是由拱和桁架两种结构体系组合而成, 因此兼具有桁架和拱的受力特点。由于受推力作用, 跨间弯矩得以大大减少;由于把一般拱桥的传力构件 (拱上建筑) 与承重构件 (拱肋) 联成整体桁架, 结构整体受力就能充分发挥各部分构件的作用。
二、支架搭设
1.支架型式在桥1/4及3/4处分别搭一支墩, 每支墩在桥两侧各设4根φ530钢管桩, 桩距2×2 m。
每支墩采用2组贝雷片作横梁, 上铺设型钢及枋木支撑。考虑到老桥下游侧临时便桥已有防护桩, 故只在老桥上游侧设防护桩, 防护桩支点为6 m, 如图1所示。
由钢管桩及贝雷形成两个支撑点, 如图2所示。
2. 老桥自重 (按拆除段进行划分) , 见表1。
3. 钢管桩承载力计算
按老桥全部重量的50%, 进行16根钢管桩承载力进行计算:N=315/32=9.84 t=98.4 KN, 钢管桩入土5 m。
计算依据为《建筑桩基技术规范》JGJ94-94和本项目岩土工程勘察报告。
单桩竖向承载力设计值 (R) 计算过程如下。
桩型:钢管桩;
桩基竖向承载力抗力分项系数:γs=γp=γsp=1.5;
桩类别:圆形桩;
直径=530 mm;
截面积:As=0.22 m;
周长L=1.66 m;
土层为软塑状亚砂土, 极限侧阻力标准值qsik=20 Kpa;
钢管桩入土深度h=5 m;
土层液化折减系数ψL=1;
极限侧阻力:
极限端阻力标准值:qpk=65 KN;
极限端阻力:Qpk=qpk×As=65×0.22=14.34 KN;
基桩竖向承载力设计值:R=Qsk/γs+Qpk/γp=166.5/1.5+14.34/1.5=120 KN, 满足要求。
4. 贝雷架受力验算
(1) 均布荷载
贝雷片自重为0.9 KN/m, 上下加强弦杆、支撑架重量为0.6 KN/m。
其中, q=1.5 KN/m。
(2) 集中荷载
要充分考虑安全因素, 按桥全重的50%由贝雷架支承计算。则单片贝雷片受的集中荷载为98.4, 受力点为距支点1.5 m处。
(3) 内力计算
按简支梁, 跨度10.54 m。两拱肋集中力距支点1.5 m, F=98.4 KN, 均布荷载为1.5 KN/m。则Mmax=168.4 KNm, Qmax=106.3 KN。
加强型贝雷架力学性能如表2所示。
最大弯矩为:168.43 KN-m<1 687.5 KN-m;最大剪力为90.9 KN<245.2 KN, 贝雷架满足要求。
三、拆桥
1. 拆除流程
老桥拆除的程序按照桥新建的逆程序进行, 由上而下。先施加的后解除, 后完成的先拆除。
打支点管桩、搭设临时支墩→拆除护栏、人行道板等→拆除微弯板→切割拱肋 (支架开始受力) →吊离实腹段至岸上解体→吊离桁架段至岸上解体→桥头挡墙拆除→填筑施工围堰→承台及灌注桩拆除。
2. 桥面系拆除
先解除桥面附属设施如护栏、人行道板、微弯板等, 采用小型风镐凿除砼, 切断各部件片之间的缝砼、割断联接钢筋后, 用浮吊船将各组件逐片吊起, 装车运至垃圾场破碎。各个部分拆除均自桥跨中向两侧对称均衡进行。
3. 桁架片拆除 (形成三节段)
在每侧桥头各打2个6 t地锚, 主拱圈每端用1根φ17.5钢丝绳拉住, 以抵消在拱圈中部被切割后拱片产生的水平推力。由于切割后的三段 (实腹段及两侧桁架段) 重量均较轻, 实腹段为30 t, 桁架段为50 t。所以只对实腹段与桁架段之间的上下弦杆及腹杆进行切割, 其它联系构件不在原位处切割。分三次将实腹段和两侧桁架段吊离原位。
(1) 实腹段拆除
采用小型风镐对上下弦杆及腹杆进行切割, 氧气割枪切割联接钢筋。在切割过程中, 用浮吊船稳定构件并在构件两端全部切割后起吊运至指定地点进行拆解。采用四点吊, 吊点以实腹段平面几何中心对称布置。
(2) 桁架段拆除
由于桁架段每侧仅为50 t, 80 t浮吊船扒杆在75°倾角时最大起吊重量为65 t, 起吊高度为32.8 m, 故桁架段也可采取一次吊装移位的方法进行。采用四点吊, 吊点以桁架重心对称布置 (四点吊) , 如图3所示。
4. 基础拆除
桁架拱片完全拆除后, 在拱脚承台外侧结合该处驳岸施工构筑施工围堰, 围堰断面同驳岸施工围堰。先挖除周围覆盖的土方, 使基础完全暴露;再用破碎机打碎;最后用汽车将残渣弃运至弃土场。承台灌柱也采用破碎机拆除至航道设计河床线以下2 m。
四、结语
桁架拱桥 篇6
1 工程概况
某钢桁架桥主桥长度为 (70+240+70) m, 主桥桥面全宽43.9m, 该桥的设计荷载为公路一级, 按双向八车道设计。此桥规划线位桥轴线与河水流流向夹角为27°, 双向通航净宽需224.1m。
主桁采用N型桁架, 横向两片桁拱, 中心间距38.2m, 拱肋矢高54m, 矢跨比约为1/4.444。主桁拱肋跨中位置桁高7m, 中支点处的桁高为20.56m。
风撑采用空间桁架式一字撑, 风撑弦杆采用平行四边形箱型截面, 板厚20mm, 长度规格根据角度不同有所变化, 按平行四边形竖直向内高500mm、水平向内高480mm控制。
纵梁选用带肋焊接箱型截面, 顶面设有2%横坡, 截面的内宽1 500 mm, 竖向中心线处全高为2 700mm, 采用28mm、36mm、48mm 3种厚度, 翼板以及腹板均设两道板式加劲肋。
桥面系使用结构简支桥面连续的π形板, 预制板同钢横梁之间设板式橡胶支座。预制板采用C50混凝土, 板厚12cm, 支点处厚40cm。
2 有限元方法模拟
2.1 有限元模型的建立
模拟结构的真实刚度、质量以及它的边界条件是建立有限元模型的关键, 同时要对计算模型进行简化, 这样才能确保顺利完成计算。实际桥梁结构十分的复杂, 对每个细节都准确模拟难度太大, 建模的原则是舍次求主, 确保每个简化都要合理, 这样得出的结果才能有较高的可行度。
某大桥的空间有限元模型如图1所示, 全桥模型共有节点2 253个, 各类单元2 776个。其中主桁构件、风撑、钢横梁、钢纵梁等杆件均采用BEAM188模拟;梁单元的截面属性种类有21种, 杆单元的截面属性有2种。
2.2 荷载计算
在对全桥的稳定性进行分析之前, 首先必须确定荷载的种类和荷载的大小, 从苏岭山大桥成桥后的功能来看, 此桥主要承受的荷载有三种类型 (恒载、活载以及横向风荷载) 。
荷载包括一期恒载和二期荷载, 考虑到节点板、桥面现浇层、桥面铺装层以及焊缝的影响, 通过提高构件的密度来模拟实际状况。活载主要包括汽车荷载和人群荷载两种, 其数值根据《公路桥涵设计通用规范》 (JTG D60—2015) 规定, 并依照规范取值并折减活载值。风荷载作用于桥梁结构, 主要体现在阻力、升力以及扭转力矩。为方便计算, 在该模型中只考虑横桥向存在的静风荷载。根据《公路桥梁抗风设计规范》 (JTG/T D60-1—2004) 规定, 计算出桥梁结构在横桥向风作用下的主梁及各类杆件的单位长度荷载。
2.3 计算方法
实际工程中, 结构失稳通常出现为第二类稳定问题, 即极值点失稳。第二类稳定分析需要同时考虑几何非线性和材料非线性的极限承载力分析。由于大跨径钢桁架拱桥矢跨比较大, 当外荷载较大时, 结构将发生塑性坍塌, 因此拱桥失稳基本上为极值点失稳, 对其进行分析具有重大的工程意义。拱桥成桥后, 由于桥梁会承受较大的活荷载作用, 因此对拱桥对成桥状态进行极限承载力分析是十分有必要的。
第二类稳定分析结果以稳定系数的形式表达, 定义为桥梁开始失稳时分析荷载的施加倍数λ
式中, P为结构承受总荷载;Pd为恒载;Pc为活荷载。
对于钢材的本构关系进行模拟, 在此过程中选择双线性随动强化选项, 其原理是用弹性斜率和塑性斜率表示钢材的应力-应变曲线 (见图2) 。双线性随动强化准则中应力的允许范围是钢材屈服应力的两倍, 其目的是为了包括包辛格效应, 以准确地应对材料反复加载时产生的问题, 适用于绝大多数的金属 (初始为各向同性且小应变) 。屈服应力的取值根据结构构件的材料而定, 材料达到屈服应力之后按理想弹塑性计算, 此时塑性斜率E′为零。
假定吊杆和水平索材料在分析中始终保持弹性, 文中所用钢材视为理想弹塑性材料, 材料的屈服应力σy=345 MPa。
3 不同因素的影响及分析结果
3.1 结构边界条件的影响
边界条件的改变对结构整体的受力可能存在影响, 桥梁的边界条件形式较多。就钢桁架拱桥而言, 拱脚处采用铰接的方式在实际工程中被广泛的使用, 这是因为铰接有着突出的优点, 采用铰接的方式使得拱脚处不会出现弯矩, 对锚固的要求比较低, 且铰接的受力形式明确[5]。但对于大跨度钢桁架拱桥来说, 考虑到铰接的方式与拱脚基础的连接需要使用大型的支座, 例如某大桥设计使用的是7 000t的球形支座, 承受如此大荷载的支座在成桥之后需要长期的养护。从使用铰接支座受力性能方面考虑, 会大大减小拱肋结构的整体刚度。根据实际状况中约束条件的使用状况, 分成以下3种工况:
工况一:主拱拱脚均固接;
工况二:主拱拱脚均铰接;
工况三:一侧铰接、一侧滑动约束的边界条件。
由计算结果见表1和图3可知, 对于苏岭山大桥改变边界条件对苏岭山大桥的极限承载力结果没有明显的影响, 之间的差距在3%之内。在自重与活载作用下, 活载系数的值相差, 综合三种工况的结果, 可知工况三下该桥梁的极限承载力最大。在拱顶竖向位移方面, 拱脚均固接的方式时, 位移最小, 与工况二相差了9.05%, 有着明显的减小。在三种不同工况下拱脚处的内力差异不大, 对拱脚的杆件受力没明显影响。由计算结果可知, 对于该桥而言, 主拱拱脚采用一侧铰接、一侧滑动约束的边界条件, 整体结构的极限承载力较强, 传力方式明确, 整体结构受力较为合理, 对结构成桥的线形合理和受力状态合理有保障, 选择此种边界条件较为合理。
3.2 活载布置方式对极限承载力的影响
在对某大桥模型的极限承载力分析之后桥梁结构发生极值点失稳的原因是局部杆件达到屈服强度而进入塑性状态, 此时整体结构刚度下降, 由此可知局部杆件的极限承载能力对结构整体的承载力有着极大的影响。活载是桥梁承受的可变荷载, 在桥梁设计和评估等各种荷载组合中占着重要的地位[6]。对容易发生屈服的关键位置设置此桥的最不利活载布置, 研究此桥各关键杆件的极限承载能力。
根据在均布活载作用下的全桥失效机理的研究结果, 此桥最不利杆件位置依次为拱肋1/4下弦杆、拱脚处的下弦杆、拱肋1/4处的上弦杆、拱肋跨中的上弦杆。分别选取这4个关键位置作为研究对象, 为得到苏岭山大桥各关键位置处的影响线, 并施加设计移动荷载在最不利位置处, 运行有限元软件ANSYS计算此工况下的极限荷载值。
由于在自重荷载作用下桥梁结构承受的最大应力是压应力, 因此以最不利荷载加载方式为活载加载在造成桥梁构件出现压应力的位置。4种不同的加载工况下计算出的结果如图4所示。其中横坐标是拱顶位置的竖向位移, 纵坐标表示加载的活载系数值。详细的数据记录在表2中。由计算结果可知, 在考虑不同杆件受力最不利的荷载布置对苏岭山大桥模型的极限承载力存在着一些影响, 针对不同的杆件的影响大小不同, 对拱肋四分点下弦杆影响较小, 仅下降了1.7%, 受影响最大的是拱脚处的下弦杆, 极限承载力下降了14.3%, 接下来依次是拱肋四分点的上弦杆和拱顶的上弦杆。所以在设计过程中应适当考虑荷载不均匀分布对极限荷载值的影响。
3.3 初始缺陷对极限承载力的影响
当前, 对大跨径钢桁架拱桥的非线性有限元分析的研究往往着重于几何和材料非线性对结构的影响, 却忽视了拱桥自身可能存在的初始缺陷的影响。邱顺冬对卢浦大桥分析之后, 认为对大跨径中承式拱桥对初始缺陷的敏感度不高, 其影响可以忽略。夏旻[7]分析了巫峡长江大桥和六圭河大桥之后, 认为初始缺陷对存在推力的无铰拱的影响均在10%以内。关于下承式钢桁架拱桥的初始缺陷的研究较少。
然而, 在实际的拱桥建设过程中, 结构各杆件存在的初始缺陷是不可控制的, 因为在施工过程中安装可能存在偏差、构件制造存在初变形和构件之间安装的节点存在初偏心, 以及其他可能存在的因素 (下料长度不准确) 造成的初始应力等等。可能存在的初始缺陷具有很强的随机性和不确定性。
若要真是地反应初始缺陷对桥梁结构的影响, 需要通过大量的计算, 如此庞大的工作量是难以做到的。
考虑的初始缺陷受各种因素影响, 包括:1) 施工顺序;2) 施工时的安装设备;3) 测量仪器和测量技术的限制;4) 工人工作的熟练程度。
有限元软件ANSYS中有自带施加初始缺陷的程序, 此方法首先对模型进行特征值屈曲分析, 得到原桥模型的屈曲模态之后, 输入命令“upgeom”, 依照一定的比例对原桥杆件的节点的空间坐标进行重置。原桥模型的初始缺陷按节点的位移改变量控制, 偏移量分别为0.01m、0.1m、0.2m、0.3m、0.4m、0.5m。不同偏移量下的计算得出荷载-位移曲线。各工况下的活载安全系数见表3。
从表3计算结果可知, 随着初始缺陷值增大, 桥梁的极限荷载值减小, 当初始缺陷值为0.5m时, 全桥的极限活载系数是6.89, 下降了5.36%, 极限荷载值对初始缺陷的敏感度不高。因规范规定初始缺陷为l/1 000, 即0.24m, 在规范允许的范围内, 极限值降低了2.61%。但我们可以得知, 随着缺陷的继续增大, 桥梁的极限荷载值也会逐渐降低, 所以在施工过程中要保证桥梁的初始误差最小化, 这样桥梁的稳定性才能得到保证。
3.4 横向风荷载与活载耦合对极限承载力的影响
风灾作为主要的自然灾害之一, 经常发生在我们周围, 对人类社会造成的损失十分巨大。在1940年之前, 风的荷载作用还未引起学者和工程师们的重视, 直到位于美国华盛顿的Tacoma桥因风荷载的作用发生垮塌, 此时的风速为八级。这次的事故引起人们对风荷载的重视, 之后对桥梁的抗风性能的验算逐渐成为一种常规研究。经过几十年的研究之后, 目前已经大致认清了风荷载造成桥梁结构失稳的主要形式, 简单地可以归纳成两种, 第一种现象是空气静力失稳, 另一种是颤震、驰震、抖震和涡激共振作用下导致的动力失稳。对于悬索桥等大跨径桥梁会因颤震的影响所致的动力失稳的极限风速相较于静力失稳的极限风速要小。相较于动力失稳, 静力失稳突发性强, 发生前没有任何现象发生, 因此造成的损坏更大, 所以考虑静风荷载对桥梁结构的极限承载力的影响是十分必要的。
现实状况中桥梁承受的风荷载是动态的, 而非理想的静态。风荷载会随着桥梁结构产生的变形, 与桥梁构件的攻角也随之变化, 所以要精确地模拟风荷载的实际情况是非常困难的。于是, 风荷载学者提出了等效静力风荷载, 将复杂的动力风荷载分析转变成静力分析[8]。
由图5可知, 在桥梁承受的风荷载变化后, 加载活载之前, 不同风速下的拱肋跨中上弦杆节点位置的竖向和横向偏移的值不同, 在横向风的作用下, 风速越大跨中节点的竖向位移量也随之增大, 直到全桥达到极限荷载值时, 风速大的情况下最大竖向位移也增大, 说明风荷载的作用会使得竖向位移增大。
受横向风荷载影响, 此钢桁架拱桥可能出现了侧倾和扭转变形, 影响桥梁的整体刚度, 导致结构出现塑性变形的时间提前, 桥梁的极限承载力降低。通过图6可知, 横向风速的变化与活载极限承载能力大小之间不是线形关系, 当风速低于56.4m/s时, 桥梁的极限活载能力下降速度较慢, 当风速持续增大之后, 承载能力急速下降。由以上现象分析可知, 横向风荷载对桥梁的极限承载力有着极其不利的影响, 究其原因, 是由于风荷载的作用使得原先平面曲杆变成了空间曲杆, 此时, 原先的杆件从受压为主要受力形式转变成承受压弯共同作用。当风荷载作用增强之后, 杆件的初始变形增大, 随着活载的增大, 在杆件轴力增大的同时弯矩也会急速增大, 最后导致整体轴力不大的情况下, 由于弯矩作用, 杆件的一侧会过早地进入塑性状态。
如果需要进一步的提升桥梁的抗风稳定性, 对桥梁的敏感杆件需要加强对其抗风性的设计, 主要敏感部位有拱脚处的下弦杆及拱顶位置的上、下弦杆等。
4 结论
a.对于大跨径下承式钢桁架拱桥的边界条件采用一侧铰接、一侧滑动约束的边界条件, 整体结构的极限承载力较强, 传力方式明确, 整体结构受力较为合理, 其他边界条件可根据实际情况选取。
b.针对不同关键位置的最不利活载布置研究后发现受影响位置最大的为拱脚处下弦杆, 在设计过程要着重考虑此荷载工况下的下弦杆是否能正常工作。
c.由不可避免的原因造成的初始缺陷对桥梁极限承载力影响较小, 在规范允许的最大偏移值时, 极限承载力下降了2.61%, 而规范允许的值在实际工程中为较大缺陷, 正常的初始缺陷造成的影响将更小。
d.横向风速的变化与活载极限承载能力大小之间呈非线性关系, 当风速较小时, 苏岭山大桥的极限活载能力下降速度较慢, 当风速持续增大之后, 承载能力明显下降。横向风荷载对桥梁的极限承载力有着极其不利的影响, 极大地降低了桥梁的极限承载力, 因此要对桥梁进行抗风验算。
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桁架拱桥 篇7
1 钢管拱肋吊装的优化设计
对于钢管混凝土拱桥而言,施工理想状态控制的关键在于拱肋合拢后的线形及几何状态是否符合设计要求。选择有代表性的标高控制点,通过迭代优化求出的扣索初始张拉力能保证这几个标高控制点的标高与设计拱轴线相一致。同时监测每阶段拱肋钢管及扣索的应力保证在设计允许范围内。根据这些原则选取合适的设计变量、状态变量和目标函数,并约束相关的控制条件,依据钢管拱肋吊装的过程建立了相对应的优化预测分析模型。
在优化模型建立时,将每节段扣索的初始张拉力设置为设计变量,扣索的索力、拱肋内的应力、位移控制点的变动幅度设置为状态变量。采用一次张拉扣定法施工的钢管混凝土拱桥,一般以吊装某节段,使该节段位移量为零作为初始张拉力比较合理。所以优化的方向和目的是吊装某节段,使该节段的控制点位移为零。按此思想可以构造如下目标函数:
其中f为目标函数,S为设计变量,uj及σm为状态变量。
2 吊装预测分析模型的优化算法
2.1 非约束目标函数
目标函数f(S)不能写成显式形式,且属于多约束条件的优化问题,通过对目标函数添加罚函数的一阶方法将有约束的优化问题转化为无约束问题,式(1)经转化后的无约束目标函数形式如下:
Q(S,q)=f(S)+
其中Ps 、Pu、Pσ为罚函数,q为惩罚因子,决定了函数约束满意程度。
2.2 搜索方向及收敛准则
优化时,采用共轭方向法确定设计变量的搜索方向,取初始值S0的负梯度-ᐁQ(S0,q0)作为初始共轭向量d0,则第k个迭代点的共轭方向由下式确定:
获得搜索方向后,就可通过一维线性搜索找到下一个迭代点。
最优化计算的收敛性采用下式进行检验:
其中τ为目标函数的容许误差。
3 吊装预测分析模型的应用
3.1 工程实例
将以上建立的吊装预测模型应用于一座在建的上承式钢管混凝土桁架式拱桥,该桥净跨252m,拱肋弧长298m,净矢高38.769m,净矢跨比1/6.5,主拱轴线为悬链线,拱轴系数m=1.756。拱肋为等截面钢管混凝土桁架结构。见图1所示。
3.2 优化模型预测结果
优化预测模型按前述建立。以各扣索的初始张拉力为设计变量,以各扣索的索力、拱肋控制截面的应力、拱肋位移控制点的变动幅度为状态变量并加以约束。构造拱肋位移控制点竖向位移的平方和为目标函数,利用有限元法求解,建立状态变量、目标函数与设计变量的函数关系。引入最优化计算理论,采用一阶优化方法,以设计拱轴线为最优化计算的评价指标,来确定合理施工状态,求得合理扣索力及预抬高量。
表1为采用一阶优化方法,进行优化计算得到一组最优解,其迭代过程如图2所示。从图3中可以看出扣索在施工阶段最大应力为496MPa,发生于2号扣索最后施工阶段。
从表2实测索力和计算索力比较来看,各扣索索力计算值与实测值吻合较好,说明建立的优化模型能较好的预测施工,且在满足各项约束条件下,实现了尽量小的合拢拱轴线形误差。
摘要：引入工程结构优化方法,利用基于前进分析的有限元法,对采用千斤顶斜拉扣挂法施工的钢管混凝土拱桥进行了吊装预测分析,进行了扣索索力及拱肋节段预抬高的最优化计算,确定了一定约束条件下,空钢管拱肋吊装结构最合适的施工路径。
关键词：钢管混凝土拱桥,吊装预测
参考文献
[1]陈宝春.钢管混凝土拱桥设计与施工[M].人民交通出版社.2000.
[2]郑皆连.特大跨径RC拱桥悬拼合拢技术的探讨[J].中国公路学报,1999,12(1).