劉蕾蕾，余 強(qiáng)，邱 毅，王 東

(四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610041)

鋼箱拱橋具有外觀優(yōu)美、承載潛力大等優(yōu)點(diǎn)，在景觀功能需求較高的城市橋梁中應(yīng)用越來(lái)越多[1]；同時(shí)鋼箱混凝土結(jié)構(gòu)因其優(yōu)越的力學(xué)性能和美觀效果，在工業(yè)與民用建筑中應(yīng)用廣泛[2-3]，但鋼箱拱橋拱腳與拱座的鋼混凝土結(jié)合部位受力復(fù)雜，如何把鋼箱拱的內(nèi)力可靠地傳遞給基礎(chǔ)是設(shè)計(jì)和施工需要著重考慮的問(wèn)題。為此，本文重點(diǎn)以廣雅大橋?yàn)槔接戜撓浠炷两Y(jié)構(gòu)在鋼箱拱中的應(yīng)用，以供類似工程參考。

1 工程概況

柳州廣雅大橋位于柳州市中心城區(qū)，橋梁總體布置如圖1所示。大橋主橋長(zhǎng)546 m，孔跨布置為63 m+2×210 m+63 m，橋梁總寬36 m；主拱計(jì)算跨徑203.282 m，凈跨徑200 m，凈矢高50 m，凈矢跨比1/4，拱軸系數(shù)1.6，拱肋拱頂截面徑向高2.5 m，拱腳截面徑向高4.5 m，截面高度按1.5次拋物線的變化規(guī)律沿水平方向從拱腳的4.5 m漸變至拱頂?shù)?.5 m；拱肋寬2.5 m。

單位：m

大橋采用雙孔中承式結(jié)構(gòu)，在飛燕式拱橋的基礎(chǔ)上增設(shè)了副拱，體現(xiàn)了整座大橋空靈剔透、輕盈優(yōu)美的選型特點(diǎn)，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和審美特色，如圖2所示。為解決穩(wěn)定問(wèn)題，橋面結(jié)構(gòu)未采用漂浮體系，而是將主拱圈與橋面結(jié)構(gòu)進(jìn)行固結(jié)以提高其整體剛度，并設(shè)置2道伸縮縫以釋放巨大的溫度力，主拱、邊拱與橋面主縱梁形成一剛度較大的三角剛架，利用水平系桿平衡大部分水平推力，因此，本橋的結(jié)構(gòu)體系屬于剛架系桿拱橋。

2 鋼箱混凝土拱腳構(gòu)造

2.1 主拱與三角剛架

本橋采用剛架系桿拱橋體系，全橋共布置3個(gè)三角剛架，其斜腿部分為主跨拱圈的延續(xù)，對(duì)于兩邊的三角剛架而言，邊跨側(cè)的斜腿與主跨側(cè)斜腿呈對(duì)稱布置。斜腿截面尺寸即為鋼箱拱橋面以下部分的尺寸，與橋面梁交界處設(shè)肋間箱型橫梁，將橫向2片三角剛架連成一體，承擔(dān)整個(gè)上部結(jié)構(gòu)的恒活載并維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，如圖3所示。

單位：mm

三角剛架的存在，有效減小了鋼箱拱的跨度(本橋鋼箱拱的有效跨度由203 m變?yōu)?50 m)，增大了結(jié)構(gòu)的跨越能力，三角剛架可理解為與上部系桿拱固結(jié)的下部結(jié)構(gòu)(三角剛構(gòu)橋墩)，其優(yōu)點(diǎn)是抗推剛度大，施工和運(yùn)營(yíng)中起到抵抗邊跨、中跨不平衡內(nèi)力的作用[4-5]；較一般的拱橋具有較好的抗震及防船撞性能[6-8]。

2.2 拱腳鋼箱混凝土構(gòu)造

2.2.1 鋼箱拱拱腳常規(guī)構(gòu)造

為實(shí)現(xiàn)三角剛架所承擔(dān)的重要作用，需確保三角剛架斜腿與拱座之間的強(qiáng)大結(jié)合能力。其中斜腿鋼箱與拱座之間的鋼混凝土過(guò)渡處理，可參考斜拉橋或懸索橋的鋼塔與承臺(tái)之間的連接構(gòu)造，主要有螺栓錨固方式、埋入式和二者組合的形式。

1)螺栓錨固法

是將鋼箱拱拱腳節(jié)段通過(guò)其拱腳底板(承壓板)和預(yù)埋在拱座基礎(chǔ)中的大型錨固螺栓(可采用預(yù)應(yīng)力鋼束)連接在一起。這種連接方式中，鋼箱拱拱腳的壓力是通過(guò)承壓板傳遞到混凝土中，而彎矩和剪力則是通過(guò)錨固螺栓進(jìn)行傳遞的。這種方法的缺點(diǎn)是為了保證鋼混凝土連接的剛度和強(qiáng)度上的要求，承壓板通常需要采用很厚的鋼板(一般不小于60 mm～70 mm)，且承壓板和混凝土拱座之間必須保持密切接觸，這對(duì)于鋼索塔來(lái)說(shuō)由于底部水平或接近水平，相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，但對(duì)拱座的斜向表面來(lái)說(shuō)難度非常大。

2)埋入式法

是將鋼箱拱拱腳節(jié)段的一部分進(jìn)入拱座基礎(chǔ)中，采用這種方法時(shí)，面臨的主要問(wèn)題是如何使鋼箱拱的壁板和混凝土充分結(jié)合在一起，并能使拱腳內(nèi)力向拱座均勻傳遞，常用的方法是在壁板上設(shè)置剪力釘或PBL剪力鍵。埋入式的傳力機(jī)理是將鋼箱拱拱腳的內(nèi)力通過(guò)剪力釘或PBL剪力鍵與混凝土之間的附著力以混凝土傳剪的方式傳遞給基礎(chǔ)。該方法的缺點(diǎn)是施工時(shí)鋼板預(yù)埋在混凝土中，這會(huì)與鋼筋存在較多的沖突，另外如果鋼箱拱拱腳產(chǎn)生拉應(yīng)力時(shí)，則拱腳部位混凝土可能會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂。

3)二者組合方式

是將鋼箱拱拱腳一部分埋入拱座混凝土中，同時(shí)采用錨固螺栓解決鋼箱拱拱腳的拉應(yīng)力。使用螺栓錨固+埋入式的組合可避免單純的采用螺栓錨固法或埋入式的一些弊端。

無(wú)論采用以上何種方法，都是適用于以承受軸向壓力為主的鋼混凝土連接構(gòu)造，對(duì)于本橋的三角剛架的拱腳部位壓彎組合的復(fù)雜受力狀態(tài)而言，適用性值得商榷，且都存在著鋼箱拱的薄壁鋼板向龐大的混凝土拱座基礎(chǔ)傳力均勻過(guò)渡的問(wèn)題，可能存在較大的應(yīng)力集中。因此需專門(mén)研究適用于本橋拱腳部位的鋼混凝土連接構(gòu)造。

2.2.2 鋼箱混凝土

鋼箱混凝土是一種組合結(jié)構(gòu)，是在矩形鋼箱中填充混凝土，依靠?jī)烧咧g鋼混凝土連接件(剪力釘或PBL剪力鍵)實(shí)現(xiàn)兩者的協(xié)調(diào)組合受力。

鋼箱混凝土組合結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)[2,9]：1)鋼箱對(duì)核心混凝土的套箍作用，能有效克服混凝土，尤其是高強(qiáng)混凝土的脆性，提高構(gòu)件的整體承載能力；2)內(nèi)填混凝土對(duì)鋼箱側(cè)向提供了有利的側(cè)向約束，提高了鋼箱的穩(wěn)定性；3)鋼箱混凝土的鋼材可充當(dāng)混凝土施工的模板，不需額外使用模板；4)鋼箱混凝土具有良好的塑性和韌性以及耐火性能。

經(jīng)過(guò)多方對(duì)比后，本橋拱腳的鋼箱與拱座之間鋼混連接構(gòu)造選用了鋼箱混凝土，并施加預(yù)應(yīng)力鋼束，故稱為預(yù)應(yīng)力矩形鋼箱混凝土。

2.2.3 鋼箱混凝土拱腳連接構(gòu)造

本橋鋼箱拱與拱座所采用鋼箱混凝土的連接構(gòu)造如圖4、圖5所示。斜腿鋼箱從拱腳至最高通航水位以上2.5 m的位置灌注C50自密實(shí)微膨脹混凝土，可作為拱腳鋼箱與拱座鋼混凝土過(guò)渡全斷面承壓連接(在拱腳與拱座之間張拉預(yù)應(yīng)力鋼束)的需要，同時(shí)也提高三角剛架防船撞性能。

單位：mm

(a)A-A剖面

為保證鋼箱內(nèi)混凝土的密實(shí)性，以及解決混凝土收縮的問(wèn)題，拱腳節(jié)段中灌注C50自密實(shí)微膨脹混凝土?xí)r，同時(shí)張拉預(yù)應(yīng)力，鋼束張拉端位于拱腳節(jié)段端部橫隔板上，錨固端位于拱座中，錨固長(zhǎng)度3.5 m。在這種全斷面完全承壓的連接方式中，拱腳底部的壓力通過(guò)拱腳的承壓板傳遞到拱座混凝土中，鋼箱拱內(nèi)的混凝土起到擴(kuò)散應(yīng)力的作用，彎矩通過(guò)張拉預(yù)應(yīng)力鋼束傳遞，剪力則通過(guò)焊接在承壓板上的剪力釘來(lái)傳遞。

拱腳節(jié)段全斷面設(shè)置14束預(yù)應(yīng)力鋼絞線，對(duì)拱腳鋼箱混凝土提供預(yù)壓應(yīng)力，以保證鋼混凝土結(jié)合段始終處于受壓狀態(tài)。鋼束穿過(guò)預(yù)埋在鋼箱拱內(nèi)的鋼管(預(yù)埋鋼管與鋼箱內(nèi)的縱向加勁肋相互焊接)，同時(shí)縱向加勁肋上開(kāi)有Φ60 mm圓孔，內(nèi)穿Φ22 mm鋼筋與進(jìn)入該孔的混凝土一起形成PBL剪力鍵，以保證鋼箱、混凝土及預(yù)應(yīng)力束三者之間相互作用力的可靠傳遞。

在鋼混凝土結(jié)合面處，承壓板的高度、寬度均比鋼箱拱肋寬60 cm，在鋼箱拱肋四周張拉JL32精軋螺紋鋼，以保證承壓板與混凝土拱座的緊密接觸。承壓板上開(kāi)有Φ100 mm圓孔，以作為拱座混凝土澆筑時(shí)的振搗孔及排氣孔。

本橋采用的預(yù)應(yīng)力鋼箱混凝土構(gòu)造可同時(shí)很好地解決彎矩、軸力和剪力的傳遞，較螺栓錨固法和埋入式方法，構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，受力也更加可靠，預(yù)應(yīng)力鋼束可解決壓彎組合的復(fù)雜受力問(wèn)題，保證拱腳處于良好的受壓狀態(tài)；內(nèi)灌的10 m～11 m長(zhǎng)的混凝土可使鋼箱拱壁板上的鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力逐漸向其傳遞，從而使鋼箱拱內(nèi)力均勻順適地向拱座傳遞，有效減小了拱腳與拱座連接處的應(yīng)力集中。充填的混凝土對(duì)鋼箱的屈曲約束作用明顯，有效地限制鋼箱變形，從而提高了鋼箱的承載力和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[10]。

鋼箱混凝土施工過(guò)程中需注意的是，鋼箱內(nèi)混凝土澆筑時(shí)由于處于流動(dòng)狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生較大的流體壓力，如果不采取措施將會(huì)使鋼箱外側(cè)壁板出現(xiàn)過(guò)大的橫向變形，亦即脹?，F(xiàn)象。因此，本橋混凝土灌注前增設(shè)了鋼箱內(nèi)對(duì)拉鋼筋，焊接在加勁肋上，有效避免了脹?，F(xiàn)象。

3 鋼混凝土結(jié)合段計(jì)算分析

鋼箱混凝土拱腳結(jié)點(diǎn)作為本橋設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要關(guān)鍵部位，在施工階段和使用階段都承受著較大的內(nèi)力，特別是在運(yùn)營(yíng)階段由于三角剛架的效應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)彎矩，鋼混凝土連接處的拱腳部位能否一直處于受壓而不脫空的理想狀態(tài)，是鋼箱拱拱腳的鋼箱混凝土設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)予以關(guān)注的重點(diǎn)。為此建立精確的局部有限元模型對(duì)拱腳部位進(jìn)行局部受力分析，掌握其受力的分布規(guī)律和大小，以指導(dǎo)和優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證拱腳鋼混凝土連接部位的設(shè)計(jì)安全可靠。

3.1 計(jì)算方法及有限元模型

本文采用混合有限元的建模方法，力求有限元建模盡可能與實(shí)際構(gòu)件相一致。計(jì)算軟件采用ANSYS10.0，共采用了實(shí)體單元、板單元和桿單元對(duì)拱腳預(yù)應(yīng)力鋼箱混凝土模型進(jìn)行了準(zhǔn)確的模擬。具體技術(shù)方法為：1)利用板殼單元SHELL63模擬鋼箱拱面板、加勁肋和錨管等；2)采用三維實(shí)體單元SOLID65模擬鋼箱內(nèi)的混凝土；3)采用三維線性桿單元LINK8模擬預(yù)應(yīng)力鋼束和對(duì)拉鋼筋；4)采用三維非線性只受壓和只受拉桿單元LINK10分別模擬拱座對(duì)拱腳法向的單向約束和拱腳四周的精軋螺紋鋼。

在計(jì)算過(guò)程中采用了以下的簡(jiǎn)化原則：1)鋼箱內(nèi)混凝土與鋼箱面板通過(guò)PBL剪力鍵緊密連接，因此假定兩者變形協(xié)調(diào)一致，直接在粘結(jié)部位采用共節(jié)點(diǎn)的方式，即不考慮兩者之間的滑移；2)通過(guò)對(duì)LINK8桿單元施加初應(yīng)變或者等效降溫模擬預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，初應(yīng)變或等效降溫考慮了預(yù)應(yīng)力損失；3)預(yù)應(yīng)力鋼束通過(guò)錨管與其錨下承壓板相連接，雖然鋼管內(nèi)灌注了砂漿，但預(yù)應(yīng)力鋼束與鋼管外的混凝土粘結(jié)效應(yīng)并不顯著，因此有限元分析中采用通長(zhǎng)桿單元模擬預(yù)應(yīng)力束，不考慮桿單元與周圍混凝土之間的粘結(jié)效應(yīng)，桿單元一側(cè)節(jié)點(diǎn)與預(yù)應(yīng)力鋼束的錨下承壓板相連接，另一側(cè)即埋入拱座混凝土中的節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)行固結(jié)。鋼箱拱節(jié)段長(zhǎng)度取16 m，局部有限元模型如圖6所示。

(a)模型1

通過(guò)總體計(jì)算可知，使用階段拱腳最不利受力狀態(tài)為拱腳處于最大負(fù)彎矩的工況，因此模型中的邊界力取總體模型拱腳最大負(fù)彎矩工況對(duì)應(yīng)的拱腳局部有限元模型截?cái)噙吔缣幍膬?nèi)力值，見(jiàn)表1。

表1 邊界內(nèi)力值

對(duì)于邊界力的加載采用剛域的方法實(shí)現(xiàn)，即在鋼箱拱肋端部的中心部位先建立一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，跟邊界處其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行剛性連接,然后直接施加邊界力到主節(jié)點(diǎn)上。這種方法定義了局部剛性區(qū)域，在模型端部區(qū)域增加了一定的剛度，因此加載邊界處的截面應(yīng)力已失真，但根據(jù)圣維南原理，由于局部模型建立了較長(zhǎng)的拱肋節(jié)段，因此模型中距離鋼箱拱較遠(yuǎn)的其他部位的應(yīng)力結(jié)果比較真實(shí)。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

拱腳部位局部有限元模型應(yīng)力云圖如圖7所示。

1)從圖7可知，鋼箱拱的鋼結(jié)構(gòu)部分最大Mises等效應(yīng)力為123 MPa，發(fā)生在拱底，滿足規(guī)范要求。在總體模型中通過(guò)取消箱內(nèi)混凝土進(jìn)行計(jì)算，可得鋼箱拱肋拱腳最大應(yīng)力為195 MPa，鋼箱內(nèi)采用內(nèi)灌混凝土后應(yīng)力降低達(dá)72 MPa，鋼箱拱面板上的集中力可通過(guò)其內(nèi)部混凝土傳遞一大部分至拱腳承壓板，這說(shuō)明采用鋼箱混凝土構(gòu)造可有效減小鋼箱拱拱腳的應(yīng)力集中，與2.2節(jié)的論述相一致。

(a)模型1

2)承壓鋼板的Mises等效應(yīng)力總體較小，最大值為94.4 MPa，發(fā)生在下緣受壓側(cè)，滿足規(guī)范要求。值得一提的是本橋的承壓鋼板厚度僅為40 mm，與螺栓錨固法所需要的較厚的承壓鋼板(一般不小于60 mm～70 mm，如文獻(xiàn)[11]采用的承壓板厚達(dá)90 mm)相比大為減小，這表明采用鋼箱混凝土能很大程度減小拱腳的應(yīng)力集中，可避免拱腳的鋼箱拱面板及承壓鋼板因采用特厚鋼板所帶來(lái)的一系列不利的厚板效應(yīng)。

3)與埋入法的鋼混結(jié)合構(gòu)造不同，本橋的鋼混過(guò)渡構(gòu)造需保證拱腳處鋼箱拱與承壓板及拱座之間處于良好的受壓狀態(tài)。針對(duì)此問(wèn)題建模方法為在拱腳處承壓鋼板下，采用僅受壓桿單元模擬鋼箱拱拱腳和拱座接觸面的單向受壓，受壓桿單元如果受拉，則單元?jiǎng)偠葧?huì)消失，軸向應(yīng)力為零，計(jì)算結(jié)果表明軸向應(yīng)力均為壓應(yīng)力，這表明承壓鋼板與混凝土拱座處于較理想的受壓狀態(tài)。

4)鋼箱內(nèi)混凝土主要呈受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力為-9.4 MPa。

由以上結(jié)果可知，采用預(yù)應(yīng)力鋼箱混凝土作為鋼箱拱拱腳的鋼混凝土過(guò)渡段，可減緩鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中，減小鋼箱拱腳處各構(gòu)件的應(yīng)力，且使鋼箱拱拱腳與拱座之間始終處于良好的受壓狀態(tài)，增強(qiáng)了鋼箱拱與基礎(chǔ)之間的結(jié)合能力，有力確保了全橋的結(jié)構(gòu)安全。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文探討了新型的鋼箱混凝土結(jié)構(gòu)在鋼箱拱的拱腳與拱座鋼混凝土連接中的應(yīng)用，研究結(jié)果表明：

1)將鋼箱混凝土作為拱腳的鋼混凝土連接構(gòu)造，通過(guò)將預(yù)應(yīng)力、剪力釘和開(kāi)孔鋼板、承壓鋼板等進(jìn)行合理搭配、有機(jī)組合，可明顯改善和減緩拱腳的應(yīng)力集中，達(dá)到剛度順適過(guò)渡、受力協(xié)調(diào)均勻的目的。

2)施加的預(yù)應(yīng)力可使鋼箱拱拱腳和拱座處于良好的結(jié)合狀態(tài)。

3)預(yù)應(yīng)力矩形鋼箱混凝土在鋼箱拱中具有較好的應(yīng)用前景，可作為鋼箱拱與拱座之間的理想連接形式。

4)柳州廣雅大橋在2013年底竣工通車，運(yùn)營(yíng)多年拱腳受力情況良好，該橋采用預(yù)應(yīng)力鋼箱混凝土作為鋼箱拱拱腳的鋼混連接構(gòu)造，可供其他同類型橋參考。