剛架系桿拱是隨著鋼管混凝土拱橋在我國的應(yīng)用而出現(xiàn)的川。與一般拱梁組合體系不同，剛架系桿拱的拱肋與橋墩固結(jié)，采用預(yù)應(yīng)力鋼紋線作為拉桿平衡拱的推力;拉桿獨立于橋面系之外，不參與橋面系受力。由于剛架系桿拱把拱橋上下部以及基礎(chǔ)連成一體，結(jié)構(gòu)超靜定次數(shù)較多，受力復(fù)雜。本文以西寧市北川河橋為例，通過建立鋼管混凝土剛架系桿拱橋空間有限元模型，對主拱肋在施工階段進行靜力分析和穩(wěn)定分析;對全橋在使用階段進行靜力分析、整體穩(wěn)定分析和動力特性分析;并對系桿施加預(yù)應(yīng)力的大小等若干問題進行了討論。
驗算規(guī)范為CECS28:90規(guī)范.JCJOl一89規(guī)范、DLGJ99一91規(guī)范[2-41北川河橋是位于青海省西寧市的中承式鋼管混凝土剛架系桿拱橋，上部結(jié)構(gòu)是凈跨90m的鋼管混凝土析拱，矢跨比1/8，拱軸線為懸鏈線，m=1.167，主拱圈采用4根。650 xl Omm鋼管和0250 x 8mm的直、斜腹桿組成高3. Om，寬1.5m的析式拱肋，鋼管內(nèi)灌筑C50混凝土;吊桿采用12705高強碳素鋼絲;橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面工字梁，間距5m;系桿選用455高強鋼絲束，錨固在兩端拱腳處。橋面以上設(shè)三道橫撐。以加強拱橋整體性和穩(wěn)定性。下部結(jié)構(gòu)采用群樁承臺式橋臺鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑為1.2mo
一、有限元計算模型
本文采用美國ANSYS公司的大型結(jié)構(gòu)分析通用程序，建立空間有限元計算模型。在有限元模型中，使用了三種單元類型對該橋的拱肋、吊桿、橋面系進行建模，它們分別是三維彈性梁單元(BEAM4 )，三維彈性桿單元(LINKIO)，三維板殼單元(SHELL41);全橋模型見圖1所示。根據(jù)設(shè)計圖紙，吊桿與拱肋和橫梁鉸接，拱肋兩端與承臺固接，橋面系在兩端與高架橋鉸接。
作用在系桿上的預(yù)應(yīng)力是當(dāng)作外荷載，按設(shè)計要求，分級施加在橋臺相應(yīng)位置處;活載計算時，將活載直接加在橋面板單元上，由程序自動分配到各吊桿處。
二、施工階段的穩(wěn)定分析
一般認為，鋼管混凝土拱橋在施工時要注意如下要點:
1.成拱后的拱軸狀態(tài)(軸線長度、標(biāo)高等)主要取決預(yù)制構(gòu)件狀態(tài)。
2.拱肋形成前，結(jié)構(gòu)呈多鉸狀態(tài)，橫向穩(wěn)定性較差，因此合攏過程中要注重主拱圈的變形與穩(wěn)定分析。
3.合理的施工加載程序應(yīng)使主拱肋在施工工程中有較均勻的內(nèi)力分布，保證其強度和穩(wěn)定性滿足要求，并使施工階段的荷載不控制設(shè)計。
根據(jù)現(xiàn)場實際情況，該橋拱肋架設(shè)在方案確定為:利用北川河舊橋架設(shè)臨地支墩，分三段吊裝鋼管骨架，形成空鋼管的拱肋析架承受自身恒載。拱腳處封鉸后形成無鉸拱，然后開始分管、分段澆筑管內(nèi)混凝土。在澆筑第一根 管內(nèi)混凝土?xí)r，鋼管承受鋼管自重以及混凝土自重產(chǎn)生的應(yīng)力;澆筑第二根管內(nèi)混凝土?xí)r，除了空鋼管外，第一根已形成鋼管混凝土組合截面，管內(nèi)混凝土開始參與受力;依此類推。
計算過程中，若該階段管內(nèi)混凝土未達到強度要求，則混凝土僅作為荷載作用;當(dāng)該階段混凝土凝固達到強度要求時，則將截面特性相應(yīng)改變成鋼管混凝土組合截面特性，依次類
推。
為了比較不同混凝土澆筑順序的穩(wěn)定狀況，本文分別計算了二種管內(nèi)澆筑混凝土的澆筑順序:方案一為1,2,3,4;方案二澆筑順序為3,4,1,2經(jīng)過施工階段穩(wěn)定分析，得到如下結(jié)1 、/ 、少二
工I L .. -廠人2代、論:
1.鋼管拱肋內(nèi)混凝土澆筑順序?qū)υ摌蚴┕さ姆€(wěn)定影響不大，可以采用任意一種澆注順序施工。
2.施工階段各工況穩(wěn)定系數(shù)均在25以上，拱肋的整體穩(wěn)定性較好。3.鋼管拱肋的幾何非線性影響較小，可以不予考慮。
4.該橋在施工階段的壓應(yīng)力為23. 3MPa，滿足規(guī)范要求;計算結(jié)果同時表明澆筑過程中各種材料都不出現(xiàn)應(yīng)力屈服現(xiàn)象。
311三、使用階段的受力分析
1.使用階段的截面內(nèi)力驗算
使用階段的截面內(nèi)力驗算按照如下方法進行:首先根據(jù)有限元計算結(jié)果，得出各工況下卜「弦桿的內(nèi)力，然后再折算成各拱肋截面的內(nèi)力;根據(jù)規(guī)范進行內(nèi)力組合。取用組合Q拱肋單肢鋼管混凝土拱腳截面內(nèi)力為驗算值:從= 6897 . 4kN ,從二一6766kN " meo=6766/6897.4=0.981m eo/h=0.41743 (1)按CEC.428 : 90規(guī)范進行驗算:單肢承載力N =TI W,No“11156.4kN>凡
(2)按JCJOI一89規(guī)范驗算:單肢承載力N=州I;A,+Kf,A)二21299.48kN>凡
(3)按DI.GJ99一91驗算:單肢承載力N=w(九4y)=18039.96kN>凡
計算表明，使用階段各工況下控制截面的內(nèi)力驗算滿足規(guī)范要求。
驗算規(guī)范為CECS28:90規(guī)范.JCJOl一89規(guī)范、DLGJ99一91規(guī)范[2-41北川河橋是位于青海省西寧市的中承式鋼管混凝土剛架系桿拱橋，上部結(jié)構(gòu)是凈跨90m的鋼管混凝土析拱，矢跨比1/8，拱軸線為懸鏈線，m=1.167，主拱圈采用4根。650 xl Omm鋼管和0250 x 8mm的直、斜腹桿組成高3. Om，寬1.5m的析式拱肋，鋼管內(nèi)灌筑C50混凝土;吊桿采用12705高強碳素鋼絲;橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土變截面工字梁，間距5m;系桿選用455高強鋼絲束，錨固在兩端拱腳處。橋面以上設(shè)三道橫撐。以加強拱橋整體性和穩(wěn)定性。下部結(jié)構(gòu)采用群樁承臺式橋臺鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑為1.2mo
一、有限元計算模型
本文采用美國ANSYS公司的大型結(jié)構(gòu)分析通用程序，建立空間有限元計算模型。在有限元模型中，使用了三種單元類型對該橋的拱肋、吊桿、橋面系進行建模，它們分別是三維彈性梁單元(BEAM4 )，三維彈性桿單元(LINKIO)，三維板殼單元(SHELL41);全橋模型見圖1所示。根據(jù)設(shè)計圖紙，吊桿與拱肋和橫梁鉸接，拱肋兩端與承臺固接，橋面系在兩端與高架橋鉸接。
作用在系桿上的預(yù)應(yīng)力是當(dāng)作外荷載，按設(shè)計要求，分級施加在橋臺相應(yīng)位置處;活載計算時，將活載直接加在橋面板單元上，由程序自動分配到各吊桿處。
二、施工階段的穩(wěn)定分析
一般認為，鋼管混凝土拱橋在施工時要注意如下要點:
1.成拱后的拱軸狀態(tài)(軸線長度、標(biāo)高等)主要取決預(yù)制構(gòu)件狀態(tài)。
2.拱肋形成前，結(jié)構(gòu)呈多鉸狀態(tài)，橫向穩(wěn)定性較差，因此合攏過程中要注重主拱圈的變形與穩(wěn)定分析。
3.合理的施工加載程序應(yīng)使主拱肋在施工工程中有較均勻的內(nèi)力分布，保證其強度和穩(wěn)定性滿足要求，并使施工階段的荷載不控制設(shè)計。
根據(jù)現(xiàn)場實際情況，該橋拱肋架設(shè)在方案確定為:利用北川河舊橋架設(shè)臨地支墩，分三段吊裝鋼管骨架，形成空鋼管的拱肋析架承受自身恒載。拱腳處封鉸后形成無鉸拱，然后開始分管、分段澆筑管內(nèi)混凝土。在澆筑第一根 管內(nèi)混凝土?xí)r，鋼管承受鋼管自重以及混凝土自重產(chǎn)生的應(yīng)力;澆筑第二根管內(nèi)混凝土?xí)r，除了空鋼管外，第一根已形成鋼管混凝土組合截面，管內(nèi)混凝土開始參與受力;依此類推。
計算過程中，若該階段管內(nèi)混凝土未達到強度要求，則混凝土僅作為荷載作用;當(dāng)該階段混凝土凝固達到強度要求時，則將截面特性相應(yīng)改變成鋼管混凝土組合截面特性，依次類
推。
為了比較不同混凝土澆筑順序的穩(wěn)定狀況，本文分別計算了二種管內(nèi)澆筑混凝土的澆筑順序:方案一為1,2,3,4;方案二澆筑順序為3,4,1,2經(jīng)過施工階段穩(wěn)定分析，得到如下結(jié)1 、/ 、少二
工I L .. -廠人2代、論:
1.鋼管拱肋內(nèi)混凝土澆筑順序?qū)υ摌蚴┕さ姆€(wěn)定影響不大，可以采用任意一種澆注順序施工。
2.施工階段各工況穩(wěn)定系數(shù)均在25以上，拱肋的整體穩(wěn)定性較好。3.鋼管拱肋的幾何非線性影響較小，可以不予考慮。
4.該橋在施工階段的壓應(yīng)力為23. 3MPa，滿足規(guī)范要求;計算結(jié)果同時表明澆筑過程中各種材料都不出現(xiàn)應(yīng)力屈服現(xiàn)象。
311三、使用階段的受力分析
1.使用階段的截面內(nèi)力驗算
使用階段的截面內(nèi)力驗算按照如下方法進行:首先根據(jù)有限元計算結(jié)果，得出各工況下卜「弦桿的內(nèi)力，然后再折算成各拱肋截面的內(nèi)力;根據(jù)規(guī)范進行內(nèi)力組合。取用組合Q拱肋單肢鋼管混凝土拱腳截面內(nèi)力為驗算值:從= 6897 . 4kN ,從二一6766kN " meo=6766/6897.4=0.981m eo/h=0.41743
(2)按JCJOI一89規(guī)范驗算:單肢承載力N=州I;A,+Kf,A)二21299.48kN>凡
(3)按DI.GJ99一91驗算:單肢承載力N=w(九4y)=18039.96kN>凡
計算表明，使用階段各工況下控制截面的內(nèi)力驗算滿足規(guī)范要求。