淺議如何確定鋼管混凝土拱橋成橋狀態(tài)

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1、淺議如何確定鋼管混凝土拱橋成橋狀態(tài)【摘要】根據(jù)鋼管混凝土拱橋主拱截面上、下緣的應(yīng)力控制條件，提出了“主拱恒載彎矩可行域”概念及主拱恒載應(yīng)力的計(jì)算檢驗(yàn)方法，從而確定了鋼管混凝土拱橋較為合理的成橋狀態(tài)?！娟P(guān)鍵詞】鋼管拱；成橋狀態(tài)；應(yīng)力控制條件；彎矩可行域1.概述傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法在計(jì)算橋梁設(shè)計(jì)內(nèi)力時(shí)，通常采用一次落架法計(jì)算恒載內(nèi)力[1],這對于結(jié)構(gòu)體系比較簡單的橋梁（如簡支梁橋，采用一次落架法施工的中小型橋梁）來說是可行的。而對于鋼管拱橋，一般采用斜拉扣掛系統(tǒng)施工，最終的成橋恒載受力狀態(tài)是通過施工過程一逐步形成的。施工過程中扣索要逐根安裝并進(jìn)行張拉，施工工序

2、和張拉索力決定了橋梁在施工過程中的受力，也決定了成橋的恒載受力狀態(tài)。然而張拉索力的確定又必須有一個(gè)已知的成橋恒載受力狀態(tài)作為目標(biāo)才能實(shí)現(xiàn)。因此鋼管拱橋的設(shè)計(jì)計(jì)算首先要解決成橋受力狀態(tài)的問題，即成橋后主拱各控制截面的應(yīng)力問題。2.鋼管拱橋成橋受力狀態(tài)的確定方法鋼管拱橋成橋受力狀態(tài)包括成橋恒載內(nèi)力狀態(tài)和主拱線形狀態(tài)，主拱線形狀態(tài)主要指成橋恒載狀態(tài)下主拱的標(biāo)高符合設(shè)計(jì)標(biāo)高的要求。這通常在初步設(shè)計(jì)階段就成為了一個(gè)明確的目標(biāo)。為了考慮活載和混凝土收縮徐變的影響，通常還設(shè)置一定的預(yù)拱度。成橋恒載內(nèi)力狀態(tài)可以按一次成橋(形成橋梁最終結(jié)構(gòu))的方法來確定。特別是在初步

3、設(shè)計(jì)階段，可以暫不考慮具體的節(jié)段施工過程，只針對于最終的成橋狀態(tài)來確定其內(nèi)力狀態(tài)。這實(shí)際上也是定出一個(gè)成橋的受力目標(biāo)。本文參考了有關(guān)斜拉橋合理成橋狀態(tài)的確定方法[1],得出了適合鋼管拱橋的幾種可行的方法。主要方法有：內(nèi)力平衡法；指定應(yīng)力法；彎曲能量最小法；彎矩最小法；一次落架法和影響矩陣法。(1)內(nèi)力平衡法：該方法是以控制截面內(nèi)力為目標(biāo),通過合理選擇索力，來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，控制截面主要是指主拱，如控制截面及相應(yīng)的控制值選擇合理，效果會(huì)比較理想。(2)指定應(yīng)力法：該方法是以控制截面的應(yīng)力為目標(biāo)，方法和效果與內(nèi)力平衡法類似。(3)彎曲能量最小法：該方法是以

4、主拱結(jié)構(gòu)的彎曲應(yīng)變能作為目標(biāo)函數(shù)，如果不加任何約束條件(即無約束優(yōu)化問題)，則該法在應(yīng)用時(shí)，可轉(zhuǎn)變?yōu)樽饕淮谓Y(jié)構(gòu)分析的問題，只要讓主拱的軸向剛度取大數(shù)，拱的彎曲剛度不變，把全部恒載加在結(jié)構(gòu)上，所得的內(nèi)力狀態(tài)即為所求。這樣求出的結(jié)果一般彎矩均比較小。但是，由于未考慮活載的影響，因此，恒載彎矩小并非都合理。(1)彎矩最小法：該方法是以主拱結(jié)構(gòu)的彎矩平方和作為目標(biāo)函數(shù)，其結(jié)果與彎曲能量最小法接近。(2)一次落架法：該方法以主拱安裝線形(在設(shè)計(jì)線形的基礎(chǔ)上設(shè)置了因恒載、活載、混凝土收縮徐變等因素影響的預(yù)拱度)一次落架作為空鋼管成拱目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)階段的

5、施工直至成橋。從而使成橋狀態(tài)的成拱線形盡可能地達(dá)到設(shè)計(jì)期望值。(3)影響矩陣法：該方法將鋼管拱橋中關(guān)心截面的內(nèi)力、應(yīng)力或位移作為受調(diào)向量{D},以扣索索力作為施調(diào)向量{X},通過影響矩陣[A]建立受調(diào)向量與施調(diào)向量之間的關(guān)系[A]{X}={D}。這是一個(gè)線性方程組，求解該線性方程組可得到施調(diào)向量的調(diào)整量{X}。但如果構(gòu)造的是一個(gè)普通的線性方程組，往往求得的調(diào)整量是沒有實(shí)際意義的。通常應(yīng)增加一些不等式約束構(gòu)造一個(gè)線性規(guī)劃模型。由于實(shí)際的成橋狀態(tài)是由施工過程一步步生成的，并且成橋后的前幾年橋梁的內(nèi)力和主拱線形還因混凝土收縮徐變的影響而變化。因此，此時(shí)的成

6、橋主拱線形狀態(tài)和恒載內(nèi)力狀態(tài)只能作為一個(gè)估算目標(biāo)值。1.一次落架法估算成橋恒載內(nèi)力主拱的恒載應(yīng)力與恒載軸力N和彎矩M有關(guān)。而對于采用一次落架法來確定成橋狀態(tài)：即空鋼管的安裝線形一次落架作為成拱目標(biāo)，然后，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行后續(xù)階段的施工直至最終的成橋狀態(tài)?？梢姡繕?biāo)是明確的，空鋼管成拱時(shí)的軸力N和彎矩M都是可以確定的。因此可以先求出成拱時(shí)主拱截面軸力N彎矩M及相應(yīng)的應(yīng)力o,活載的影響可直接根據(jù)上、下緣應(yīng)力影響線求出活載應(yīng)力的最大和最小值，后面的恒載的影響也可以求出上、下緣應(yīng)力值。因此，可以將這幾項(xiàng)應(yīng)力值進(jìn)行疊加，再根據(jù)截面上下緣的應(yīng)力控制條件來確定恒載軸

7、力及恒載彎矩的大小是否可行，從而可以確定最終的成橋狀態(tài)。同樣地，可以根據(jù)活載在主拱上下緣的應(yīng)力影響線得出活載應(yīng)力包絡(luò)圖，然后根據(jù)應(yīng)力控制條件反算來推算出"主拱恒載彎矩可行域"，只要成橋的恒載彎矩落在可行域內(nèi)則成橋狀態(tài)是可行的。計(jì)算方法3.1主拱截面上下緣應(yīng)力控制條件。主拱截面上下緣在恒載和活載組合下的最大應(yīng)力osl、oxl應(yīng)滿足：以上式作為控制依據(jù)，只要最終成橋時(shí)的內(nèi)力情況滿足這幾式，那么既滿足了主拱線形的要求，又滿足了恒載內(nèi)力的要求，也就是比較理想的成橋狀態(tài)。3.2主拱恒載彎矩可行域。(1)影響主拱應(yīng)力的荷載因素為恒載和活載兩大部分。其中恒載部分包

8、括結(jié)構(gòu)重力、混凝土收縮徐變影響力以及扣索索力等；活載部分包括規(guī)范中所有可能的活載，同時(shí)，為了考慮混凝土收縮徐