飞燕式异型钢管砼拱桥钢箱挂梁支座脱空相关问题研究

彭 亮 徐井全

飞燕式异型钢管砼拱桥钢箱挂梁支座脱空相关问题研究

彭 亮1徐井全2

（1.上海同丰工程咨询有限公司，上海 200444；2.长春高新人才劳务开发有限公司，吉林 长春 130000）

本文以某座飞燕式异型钢管砼拱桥钢箱挂梁的异常晃动为背景，通过钢箱挂梁支座静压试验和吊杆索力实测结果判断钢箱挂梁支座（设计为拉压球型支座）已脱空，并以吊杆索力实测值作为成桥目标索力进行施工阶段有限元仿真分析，结果表明施工过程支座拉力远未超过支座的承拉力，不可能受拉破坏，应是支座型号不符合设计要求，未采用拉压型支座或者支座承拉力不满足桥梁正常运营要求。针对此问题，提出的两种处置方案并结合有限元仿真分析得出相应的合理成桥状态，分析结果表明，“将支座作为仅受压型支座使用”时钢箱挂梁线形下凹，严重偏离设计线形，而须将其更换为拉压球型支座，支座的承拉力应高于设计值。

飞燕式异型钢管砼拱桥；钢箱挂梁晃动；支座静压试验；成桥状态

1 工程概况

飞燕式钢管混凝土拱桥属于自平衡中承式拱桥，一般设计成用系杆平衡水平推力的带悬臂半孔的无推力或部分推力拱，其两边跨为半跨悬臂上承式拱、中跨为中承式钢管混凝土拱，通过锚固于两边跨端部的系杆来平衡主跨水平推力[1]，如广东南海三山西大桥、广州丫髻沙大桥、东莞水道特大桥[2]等。

某座三跨飞燕式异型钢管混凝土拱桥跨径组合为51m＋158m＋51m，桥面总宽为40.0m，横向布置为：2.5m（人行道）+15.0m（车行道）+0.5m（防撞护栏）+4.0m（拱肋区、中央分隔带）+0.5m（防撞护栏）+15.0m（车行道）+2.5m（人行道）。两边跨为半悬臂上承式拱，中跨为中承式拱（钢管砼拱肋由主拱肋和稳定拱肋组成）。主拱的定位轴线为竖直平面上的二次抛物线，矢跨比1/4.23，其截面由三根钢管通过拉板连接而成的三角形截面；稳定拱共两根，其轴线均为二次抛物线。“飞燕式”拱肋部分采用预应力混凝土箱型结构，两端均与主梁固结。主梁采用预应力混凝土箱梁+钢箱挂梁，钢箱梁长110.8m，以简支的形式支撑于混凝土箱梁牛腿上，支座为拉压球型支座，其型号为LYQZ8000/1600DX。主拱共设16根吊杆（编号由东向西N/S1#~16#），均布置在钢箱挂梁范围内，吊杆规格PES(FD)7-61，纵桥向间距6m，同一断面横桥向布置两根吊杆，吊杆两端分别锚固于主梁钢锚箱和主拱拱肋内，主梁端为张拉端，横桥向间距4.4m，主拱端为固定端，横桥向间距0.7m。全桥共设置6根水平系杆，索体规格为PES(FD)7-199，系杆布置于中央分隔带区域桥面上，两端锚固于边跨端横梁上[3]。桥型布置及钢箱挂梁支撑体系平面图见图1，桥梁施工步骤见表1。

表1 施工步骤划分

2 钢箱挂梁晃动分析

该桥中跨为钢箱挂梁，车辆通过时，受结构形式影响，其钢箱挂梁两端上下晃动明显，加上支座位置间隙过小，无法近距离检查支座是否脱空。检测时通过采用钢箱挂梁两端支座静压试验并结合吊杆索力来综合判断支座是否脱空，同时，运用有限元软件分析桥梁现阶段工况下钢箱挂梁的支座反力，验证支座静压试验结果。

2.1 支座静压试验和吊杆索力分析

静压试验采用6辆重约35t加载车分两个工况（中载）分别压于钢箱挂梁东、西两端支座正上方，测试钢箱挂梁与混凝土箱梁的相对竖向位移来判断支座是否脱空。由表2可知除西端南侧支座处钢箱挂梁上挠外，其余位置均下挠，最大下挠量8.62mm，表明支座已处于脱空状态。西端南侧支座上挠是由于西端3个支座脱空量差别较大，加载后钢箱挂梁整体偏转所致。

吊杆索力采用频率法进行测试，由表3可知所有吊杆力之和比钢箱挂梁总重大约2%，表明在恒载工况下钢箱挂梁几乎处于悬空状态，两端支座将出现拉力，结合支座静压试验结果可知，钢箱挂梁支座已不具备抗拉承载能力。

当前索力条件下钢箱挂梁桥面实际线形基本满足设计线形，跨中与梁端相对高差设计值为+307mm，实测值为+265mm（“+、-”分别表示钢箱梁线形上拱、下凹）。

注：“+、—”分别表示梁上、下挠，竖向位移已考虑支座压缩变形。

表3 吊杆索力实测结果（kN）

注：“N、S”分别表示北、南侧吊杆，由东向西依次编号。

图1 桥型布置图（单位：cm）

2.2 有限元仿真计算分析

2.2.1有限元模型的建立

采用MIDAS/CIVIL建立施工阶段仿真分析的三维有限元模型。主拱、稳定拱、风撑、主梁、V腿、桩基采用空间梁单元模拟，拱座采用实体单元，吊杆、系杆采用桁架单元模拟。有限元计算模型如图2所示。

模型的边界条件：主墩桩基础考虑桩土效应后桩长折减，桩底固结，边跨混凝土箱梁梁端简支，中跨钢箱挂孔两端简支并能承受拉力。

模型的计算荷载：自重、二期恒载、汽车荷载、人群荷载、温度荷载等，成桥阶段吊杆索力按实测恒载索力考虑。

施工阶段划分原则：按照表1的施工步骤划分施工阶段；以实测吊杆索力作为CS7成桥阶段目标索力进行正装分析；吊杆张拉在CS5阶段已完成。

图2 空间有限元分析模型

2.2.2仿真计算结果

以实测吊杆索力作为成桥阶段CS7的目标索力可确定吊杆张拉施工阶段CS5的结构内力状态，得到CS5、CS7阶段钢箱挂梁支座反力计算结果，详见表4。由表4可知CS7阶段支座基本处于拉压临界状态，支座拉力远小于其承拉力1600kN（支座型号—拉压球型支座LYQZ8000/1600DX），CS5阶段支座均处于受拉状态，支座拉力最大为638kN，约为其承拉力的40%，富余量充足。

参考表1中的施工步骤，CS5阶段时吊杆已张拉到位，此阶段为支座受拉最不利施工阶段，支座承拉力富余量约60%，不会因受拉而破坏。

综合上述支座静压试验结果、吊杆索力测试结果并结合有限元仿真分析结果可推断，钢箱挂梁支座脱空不是直接由吊杆张拉过大引起的，应是支座型号不符合设计要求，未采用拉压型支座或者承拉力不满足桥梁正常运营要求。

表4 仿真分析结果（kN）

注：“+”表示支座受压，“-”表示支座受拉。

3 处置方案

钢箱挂梁运营期间上下明显晃动对吊杆的使用安全极为不利，极大的增加了高应力状态下吊杆疲劳破坏的风险。本文中提出以下两种处置方法（方案一：保留支座，仅作为受压支座使用；方案二：更换为拉压型支座），通过有限元仿真分析，验证其调索后成桥状态的可行性。

3.1 保留支座，仅作为受压支座使用

确保支座受压功能正常情况下，通过吊杆索力的调整，恢复钢箱挂梁支座支撑功能。

重新调索后成桥状态目标：（1）标准荷载组合（1.0恒载+1.0活载）下支座不脱空；（2）钢箱挂梁线形偏离设计线形小；（3）吊杆索力均匀。

依据上述目标初拟的成桥状态，其吊杆索力、支座反力结果见表5，索力调整后钢箱挂梁跨中截面位移下降402mm。

表5 成桥状态恒载工况下吊杆索力和支座反力（kN）

注：支座反力中“+”表示支座受压，“-”表示支座受拉。

由表5可知，当前索力条件下，恒活载最不利工况时所有支座均处于受压状态，但钢箱挂梁跨中下挠402mm，下挠量已超过实测线形跨中截面上拱量265mm，此时钢箱梁线形已下凹，严重偏离设计状态。

3.2 更换为拉压型支座

原有支座更换为满足原设计要求的拉压球型支座（LYQZ8000/1600DX），更换完成后重新调索后成桥状态目标：（1）标准荷载组合（1.0恒载+1.0活载）下支座拉力不超过承拉力1600kN；（2）钢箱挂梁线形偏离设计线形小；（3）吊杆索力均匀。

依据上述目标初拟的成桥状态，其吊杆索力、支座反力结果见表6，索力调整后钢箱挂梁跨中截面位移下降45mm。

表6 成桥状态恒载工况下吊杆索力和支座反力（kN）

注：支座反力中“+”表示支座受压，“-”表示支座受拉。

由表6可知，当前索力条件下，恒活载最不利工况时所有支座拉力均未超过承拉力1600kN，钢箱挂梁跨中下挠45mm，考虑此下挠量后跨中截面上拱量仍有225mm（设计值307mm），此时钢箱梁线形低于设计线形，但基本满足使用要求。

显然，支座的承拉力越高，通过调整成桥索力可使钢箱挂梁成桥线形更加符合设计线形，结构受力更加合理。

4 结论

（1）通过钢箱挂梁支座静压试验和吊杆索力实测结果判断钢箱挂梁支座（设计为拉压球型支座）已脱空，并以吊杆索力实测值作为成桥目标索力进行施工阶段有限元仿真分析，其分析结果表明施工过程支座拉力远未超过支座的承拉力，不可能受拉破坏，应是支座型号不符合设计要求，未采用拉压型支座或者支座承拉力不满足桥梁正常运营要求[4-5]。

（2）针对钢箱挂梁支座脱空，提出两种处置方案并结合有限元仿真分析得出相应的合理成桥状态，分析结果表明，“将支座作为仅受压型支座使用”时钢箱挂梁线形下凹，严重偏离设计线形，而须将其更换为满足设计要求的拉压球型支座。

（3）为使成桥线形更加符合设计线形，结构受力更加合理，更换后的拉压球型支座承拉力应适当提高，并确保最不利工况时仍有一定富余量。

[1]陈宝春.钢管混凝土拱桥设计与施工[M].北京:人民交通出版社,1999.

[2]郑怀颖.飞鸟式钢管混凝土拱桥受力特性研究[D].福州大学,2005.

[3]王生武,李泽东,任伟新.一座飞燕式系杆拱桥的有限元模型修正[J].中外公路.2020,40(06)：201-207.

[4]严晶,文浩齐,刘博楠.大跨度飞燕式系杆拱桥桩基础施工工法研究——以合江长江公路大桥为例[J].土工基础.2020,34(04):434-437+441.

[5]张磊,张振伟.飞燕式钢管混凝土系杆拱桥稳定性分析[J].低温建筑技术.2020,42(02):80-83.

彭亮（1986.10- ），男，汉，籍贯：湖南省长沙市，职称：中级工程师，学历：硕士，单位：上海同丰工程咨询有限公司，研究方向：桥梁检测技术工作；徐井全 （1979.6- ）， 男，汉族，籍贯：吉林省德惠市，职称：高级工程师，学历：本科，单位：长春高新人才劳务开发有限公司，研究方向：工程项目建设、管理工作。

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