V形连续刚构梁拱组合桥内力分析Word格式文档下载.docx

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计施工具有参考价值。

关键词:

V形桥墩;

梁拱组合;

收缩徐变;

拱的稳定;

地震反应中图分类号:

442.5

文献标识码:

A

1　工程概况

　　中卫V区中西部,宁、甘、区主干道上的跨铁路立交桥。

桥梁全长261m,为满足城市景观要求,主桥采用（25+56+25）m,V

形连续刚

4.m机非混合车道+2.0m分隔带+16.0m机动车道+2.0m分隔带+4.0m机非混合车道+2.0m人行道,总宽32m;

4）计算行车速度:

50km/h;

5）地震烈

度:

地震峰值加速度0.2g,按Ⅷ度设防

。

图1　中卫V形连续刚构梁拱组合桥总体布置图（单位:

m

）

构梁拱组合体系,主梁

采用等高度混凝土单箱五室连续箱梁,桥墩采用V形刚构,横向布置两片钢筋混凝土拱肋,居中置于两侧分隔带内,拱肋间不设横撑。

吊杆间距6.0m。

主桥总体布置图见图1,横

图2　主桥横断面图（单位:

m）

断面图见图2。

成桥效果图如图3。

主要技术标准如下:

1）道路等级:

Ⅱ级城市主干路;

双向六车道;

2）设计荷载:

城市-A级;

3）桥梁宽度:

2.0m人行道+

基金项目:

国家自然科学基金项目（50378076）;

兰州交通大学“青蓝”基

金（QL-04-08A）

收稿日期:

2008-03-31　修改稿收到日期:

2008-05-21第一作者刘世忠男,博士,教授,1962年生

图3　成桥效果图

2　主桥的设计思想

　　主梁:

主梁采用单箱五室整体截面,箱梁纵向采用

等高度;

横向梁高为1.3m～1.62m。

顶板厚30cm;

底板厚25cm。

边腹板40cm,中腹板30cm,其中拱脚处中腹板厚为200cm。

悬臂长为2.0m,悬臂根部厚度50cm,端部厚度20cm。

主梁在端部及与V撑、加劲拱、吊杆连接处设有横梁,横梁尺寸随连接部位的不同而不同。

吊杆:

吊杆标准间距6m,采用新型PES（FD）平行高强度预应力钢丝束,冷铸锚固体系。

该索体采用双层HPDE防护,可有效解决应力开裂问题。

锚固处设有可偏摆的球铰装置和减震装置,以适应吊杆变形和减震。

并设有防水装置,以解决吊杆下端进水而引起腐蚀的问题。

通过上述措施提高吊杆的安全性和耐久性。

拱肋:

钢筋混凝土矩形截面（宽×

高）为1.8m×

1.5m,两侧独立设置。

拱轴线为悬链线,拱轴系数m=2.5,跨度L=45m,矢高f=12.5m

拱肋仅协助主

第2期

梁承担二期恒载和活载。

在拱肋侧面、顶面均设有起装饰效果的开槽构造。

下部结构设计为V形支撑墩:

主墩采用三个带圆弧倒角的5m×

1.5m钢筋混凝土矩形截面V形支撑,桥墩高12.8m。

基础采用单排6根&

lt;

2.0m钻孔灌注桩,桩长35m。

钢筋混凝土承台厚2.5m,底面以下设10cm厚的C15混凝土垫层和15cm厚的砂砾垫层。

为减少承台侧土对基础变形的影响,基坑采用粉细砂松散回填

本桥主桥在充分考虑桥位特点、通行要求、桥型与周边环境协调等因素后,确定采用

图4　三维有限元模型

V形墩连续刚

构梁拱组合方案。

（1）,采用V,,

使梁与拱在受力方面的优点得以充分发挥,大大削减了跨中和支点部位的弯矩峰值,降低了梁高,减少了工程造价。

（2）V撑连续刚构梁拱组合桥具有造型活泼、美观、富有动感的特点,桥梁景观效果较好,可与周围环境和谐的融为一体,丰富了人们的美觉享受,提升了城市的建筑艺术内涵。

（3）本方案桥面宽度较宽,且在拱脚处设计刚度较大的中横梁与拱肋刚性连接,巧妙地解决了主梁横向刚度和拱肋稳定性问题。

方案采用拱、V撑和梁固结的结构体系,属于多次超静定结构,。

同一般薄壁墩,;

在结、活载、混凝土收缩、徐变等,,当,影响更为严重。

这样对结构基础、V撑和拱脚的设计带来了较大困难。

这也是本文力图解决的主要问题。

3　结构内力分析

[3～6]

表1　考虑与不考虑弹性地基最大内力绝对值

边部

位

V形墩（底部）V形墩（墩顶）V形墩（墩梁固结处）

界

及

不考虑弹性地基（墩底固结）

基

弯矩

（kN?

38889.918575.115864.485508.018133.61609.9

考虑弹性地基

单排桩（2.0m）

弯矩（kN?

16283.515554.212677.376710.815683.01518.5

双排桩（1.5m）

轴力（kN）

22322.322308.616542.821532.314603.811838.2

剪力（kN）

5964.55964.53184.913063.82882.7861.8

25449.124435.118318.936651.515419.212611.2

3762.43762.42583.210559.72571.9815.1

23874.414631.914570.892823.713861.11493.4

4530.84530.81787.513237.22418.7841.7

25766.324752.318683.628115.914352.111558.2

主梁（墩梁固结处）

拱脚拱顶

　　计算采用空间杆系有限单元法,主梁、拱肋、V撑和吊杆共离散为867个节点,1514个单元（图4）。

边界条件的处理:

梁、拱和V形支撑刚接;

根据实际结构形式,考虑桥墩与基础的相互作用,引入面内弹性地基梁单元,该单元共两个节点,每个节点面内三个自由度

θu、v、,局部坐标系下单元面内节点力与节点位移之间的关系为:

mm

（1）Fe=Keδe

式中节点位移、节点力列阵和单元刚度矩阵表达式详见文献[7]。

m

空间计算时

只需将Ke扩充成12×

12的刚度矩阵,填入相应的面外刚度系数即可。

计算荷载考虑了恒载、活载、温度梯度、整体升降温、收缩、徐变、支座沉降、吊杆预加力以及基础的刚度等诸多因素的影响。

该结构属于多次超静定结构,其

结构的受力比较复杂。

本文仅给出受力较为不利的结构基础、V撑和拱肋的分析过程及计算结果。

表2　桥梁前6阶自振频率及振型特点

No.

振型描述频率/Hz

1.1172.6252.6382.9243.7594.065

1V撑的纵向振动伴随主梁的反对称竖弯振2拱的1阶面外反对称弯曲振动3拱的1阶面外对称弯曲振动4主梁主跨1阶半波竖向弯曲振动5主梁主跨1阶对称扭转振动

6主梁2阶两半波反对称竖向弯曲振动

经过大量的优化计算发现,V撑自身刚度以及基础的刚度是影响结构内力分配的一个重要因素。

多工况计算了在不同边界条件下V撑厚度对结构内力分配的影响,结果表明在相同边界条件下,V撑内力（特别

58振动与冲击

2009年第28卷

是弯矩）随其厚度的增加而显著增大,但对主梁内力分配的影响较小,其原因是V撑刚度相对于主梁而言较小所致,在兼顾墩身内力和与整体结构美观协调的原则下,最终选取V撑厚度为1.5m。

表3　荷载组合下控制截面内力最大值（单位:

kN?

m）荷载组合

截面主梁拱顶

组合Ⅰ

拱脚

V撑

组合内力最大值

轴力

11560.3-9164.4-12572.1-18711.3-20818.39682.6-9218.2-12964.8-.-13432.3-8951.2-11890.5-16127.9-21144.421532.3-11838.2-14603.8-16542.8-22322.3

土主拉应力为0.54MPa,均在规范容许范围内。

通过

分阶段施工减小了收缩、徐变、预应力等次内力对结构的不利影响,分阶段施工与一次成桥施工相比,使设计中较为不利的构件内力减小了20%,是拱肋在体现仅协助主梁承担二期恒载和活载设计思想条件下,面外稳定性满足规范要求的重要保障。

剪力

8430.71048.8-1185.9999.5210629.28965.8825.1-.88954.51086.4-1732.5976.86983.310559.7815.1-2571.92299.83762.4

-83256.9-465.112657.112700.528693.5-84754.4-435...926833.3-83922.9-471.511416.311024.920304.5-76710.8-1518.51568312677.316283.5

4　地震反应分析

411　自振特性分析

[3,8]

桥墩主梁拱顶

组合Ⅱ

组合Ⅲ

组合Ⅳ

桥墩

除混凝土收缩、徐变及预应力引起的次内力外,地

基弹性作用也是影响结构内力分配的一个重要因素,本文还分别计算了桩径为2.0m的单排桩和桩径为1.5m的双排桩、桩长均为35m的基础作用下对结构内力分配的影响。

计算结果如表1所示。

在设计荷载作用下,单排桩拱脚弯矩为15683.0kN?

m,是不考虑弹性地基效应的86%,剪力为2571.9kN,轴力为14603.8kN,V形墩墩顶弯矩为15554.2kN?

m,是不考虑弹性地基效应的83%,剪力为3762.4kN,轴力为22308.6kN,V形墩底弯矩为16283.5kN?

m,是不考虑弹性地基效应的42%,是双排桩的68%,充分显示出结构优化设计与引入弹性地基影响的重要性。

V型墩构件均按偏压构件进行设计,最不利荷载工况下应力及裂缝宽度均满足规范要求。

主梁按A类预应力混凝土构件设计,在荷载短期效应组合下,正截面混凝土拉应力为0.58MPa、压应力为9.36MPa,斜截面混凝

　　计算了考虑弹性地基作用的桥梁前15阶自振特

性,限于篇幅表2仅列出前6阶自振频率和振型特点。

41　《中国地震动参

-2001）、《建筑抗震设计规范》

-2001）及《铁路工程抗震设计规范》（GBJ111-87）的有关规定,结合本区域工程地质与水文地质条件及工程设置的实际情况。

中卫市抗震设防烈度8度,地震动峰值加速度0.20g。

根据各地层的剪切波速经验值分析,工程所在场地属Ⅱ类场地。

计算中采用1940年记录到的美国加利福尼亚州的Elcentro地震波南北分量、1976年记录到的天津地震波和1952年记录到的Taft地震波。

激励方向为纵向+1/2竖向、横向+1/2竖向。

表3列出了荷载组合下控制截面内力最大值（其中组合Ⅰ为ElCentro波+恒载+吊杆预加力,组合Ⅱ为天津波+恒载+吊杆预加力,组合Ⅲ为Taft波+恒载+吊杆预加力,组合Ⅳ为恒载+活载+沉降+温度+人群+吊杆预加力）。

图5～7为控制截面内力比较图