連續(xù)梁拱組合橋梁設(shè)計(jì)

張學(xué)同

新疆路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司 新疆 烏魯木齊 830000

引言

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，連續(xù)梁橋已無法滿足當(dāng)前對(duì)大跨徑的需求。作為從連續(xù)梁橋發(fā)展而來的連續(xù)梁拱組合橋，相比于傳統(tǒng)拱橋，連續(xù)梁拱組合體系在受力上避免了拱端的巨大推力，并且使得橋梁所承受的彎矩和剪力更加合理，充分利用混凝土以及預(yù)應(yīng)力筋，具有較大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

1 連續(xù)梁拱組合體系橋失跨比分析

拱橋的拱肋，系梁內(nèi)力值以及施工方法等均受到失跨比的影響。當(dāng)失跨比減小時(shí)，一般拱橋的水平和垂直受力的比值將會(huì)隨著增加，反之則比值降低。同時(shí)，由混凝土收縮徐變以及溫度等變化導(dǎo)致的附加應(yīng)力也隨著失跨比的降低而增大。因此，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合對(duì)比失跨比的取值，以合理選取。

為使分析結(jié)果建立在同等條件之下，本文在系梁和拱肋的計(jì)算過程中作出了如下假定：

（1）相同的截面尺寸，配筋以及橋面布置；相同的荷載標(biāo)準(zhǔn)以及布置吊桿的間距相同；

（2）均采用彈性支承的方法進(jìn)行連續(xù)梁橫向荷載分布的計(jì)算；

（3）均按照連續(xù)梁以滑動(dòng)支座作為邊支座，以鉸支座及滑動(dòng)支座作為中墩支座的方式作為計(jì)算圖示；

（4）恒載以及活載的計(jì)算均按照一次落架計(jì)算；

為研究連續(xù)梁拱組合橋梁與失跨比之間的關(guān)系，本文將研究對(duì)象的計(jì)算跨徑選取為3跨20+60+20m，以失跨比作為變化參數(shù)，比較連續(xù)梁拱橋在恒載以及溫度等荷載作用時(shí)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力所受失跨比的影響。

1.1 恒載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力

表1 失跨比不同時(shí)跨中梁，拱的內(nèi)力

從表1可知，連續(xù)梁拱組合橋在恒載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力所受失跨比的影響較大。梁拱的張拉力在失跨比降低時(shí)增大。其中，失跨比降低的數(shù)值同系梁軸力以及拱肋的水平推力變化的幅度值相同，其變化幅度為92%；但隨著失跨比的降低，系梁以及拱肋的彎矩變化呈現(xiàn)出相反的情況，系梁的彎矩變化情況為先上升后下降，拱肋的彎矩變化情況為先下降后上升在下降，為非線性變化。導(dǎo)致該種現(xiàn)象的原因是在大失跨比的條件下，若跨徑較小，將會(huì)恒載作用下導(dǎo)致拱肋合理拱軸線與拋物線有較大的偏離，而當(dāng)失跨比降低時(shí)，拱肋合理拱軸線和拋物線的偏離將會(huì)有所降低，但降低到一定值時(shí)，又開始產(chǎn)生偏離。

1.2 活載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力

將1/4跨徑下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力值設(shè)定為1，并將所得結(jié)果繪制如圖1所示。

圖1 活載作用下隨失跨比變化時(shí)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力

由圖1可知，失跨比的變化對(duì)活載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力具有較大的影響。其中，隨著失跨比的變化，活載作用下的軸力變化規(guī)律同恒載作用下軸力的變化規(guī)律相同，只是數(shù)值稍大；而在失跨比降低時(shí)，系梁的彎矩呈現(xiàn)出的變化規(guī)律為先下降后上升，拱肋彎矩的變化規(guī)律則是持續(xù)降低。

2 連續(xù)梁拱組合體系橋剛度比分析

連續(xù)梁拱組合體系水平力的平衡主要是依靠縱梁來實(shí)現(xiàn)的。在拱腳處梁和拱以剛結(jié)的方式放置于支座上。該種方式可使荷載由梁拱一起承擔(dān)，并且可降低對(duì)墩臺(tái)的要求，在一定程度上節(jié)約了材料。

在連續(xù)梁拱組合體系中，其剛度可分為兩部分，一是拱肋的抗彎剛度，主要是指橋拱的剛度，二是梁的剛度，主要是指系梁以及橋梁共同作用的剛度。根據(jù)兩種剛度的相對(duì)值大小又可細(xì)分為三種，分別是剛梁剛拱或柔拱，以及柔梁剛拱。

剛梁柔拱指的是拱肋的抗彎剛度與系梁的抗彎剛度之比小于1/80的時(shí)候。在該種情況下，認(rèn)為梁的抗彎剛度遠(yuǎn)大于拱的，因此認(rèn)為在該種情況下的系梁承擔(dān)了全部彎矩，而拱肋僅受到軸線壓力的作用；

柔梁剛拱指的是拱肋的抗彎剛度與系梁的抗彎剛度之比大于80的時(shí)候。在該種情況下，認(rèn)為拱的抗彎剛度遠(yuǎn)大于梁的，既拱承擔(dān)了全部彎矩，而梁僅受到軸向力的作用。

剛梁剛拱指的是拱肋的抗彎剛度與系梁的抗彎剛度在1/80和80之間的時(shí)候。在該種情況下，認(rèn)為荷載由拱和梁共同承擔(dān)，根據(jù)梁拱剛度分擔(dān)彎矩。

研究對(duì)象的選取同上，通過改變梁拱抗彎剛度的比值，已分析截面面積相同時(shí)梁拱的內(nèi)力情況。

2.1 梁拱在不同抗彎剛度比時(shí)恒載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力

表2 連續(xù)梁拱組合體系橋在恒載作用下時(shí)不同剛度比對(duì)內(nèi)力的影響

由表2可知，在保持梁拱截面面積一定時(shí)，結(jié)構(gòu)軸向力在改變梁拱剛度比時(shí)所受的影響較小，剛度比的變化僅影響了梁拱彎矩的分配。隨著梁拱剛度比的上升，系梁以及拱肋的彎矩均表現(xiàn)出先下降后上升的趨勢(shì)，但在剛度比變化對(duì)彎矩的影響中，拱肋所受影響大于系梁。當(dāng)梁拱剛度比在0.5-1的范圍內(nèi)時(shí)，拱肋的彎矩變化幅度最大；當(dāng)梁拱剛度比在1-3的范圍內(nèi)時(shí)，系梁的彎矩有最大的變化速率，在該區(qū)間外系梁的彎矩變化有所降低，這說明了在該區(qū)間內(nèi)，系梁的彎矩所受剛度比變化的影響最大。

2.2 梁拱在不同抗彎剛度比時(shí)恒載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力

將剛度比為1時(shí)的結(jié)構(gòu)能力基數(shù)定為1，所得結(jié)果如圖2所示。

圖2 活載作用下不同剛度比對(duì)結(jié)構(gòu)彎矩的影響

由于在活載作用下，剛度比的變化對(duì)結(jié)構(gòu)的軸向力幾乎無影響，因此，本文僅列出活載作用下不同剛度比對(duì)結(jié)構(gòu)彎矩的影響，如上圖所示。從圖中可知，不同剛度比對(duì)梁拱彎矩的影響主要是彎矩的分配，隨著整體剛度中拱肋剛度所在比例的增加，其所承受的彎矩也隨之增加。與恒載作用剛度比變化對(duì)彎矩的影響不同的是，隨著剛度比的變化，系梁彎矩所受到的影響程度小于拱肋。當(dāng)剛度比在1以上時(shí)，比起剛度比比1小的情況，梁拱彎矩差值較大，且在剛度比在區(qū)間1-2時(shí)，拱肋的彎矩具有最大的變化曲率。

同時(shí)改變面積以及抗彎慣性矩時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化情況

不同剛度比時(shí)恒載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力如表3所示。

表3 恒載作用時(shí)不同剛度比對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

從上表可看出，由于拱梁的自重隨著面積以及抗彎慣性矩的變化而變化，因此隨著剛度比的變化梁拱軸向力也隨著改變，并同剛度比的變化呈相同的線性變化。由于梁拱的面積變化，使梁拱彎矩并不隨著剛度比的上升而下降，對(duì)于梁和拱都存在有一個(gè)較優(yōu)的取值：當(dāng)剛度比在2時(shí)，系梁的彎矩有最小值，并且系梁彎矩的變化速率在剛度比為1/4-1區(qū)間時(shí)最大；而拱肋跨中彎矩的最小值出現(xiàn)在剛度比為1時(shí)，并且其彎矩的變化速率在剛度比為0.5-3區(qū)間內(nèi)。從表中可知，在剛度比為1的情況下，梁拱組合橋具有最大的受力狀態(tài)，當(dāng)剛度比比1小時(shí)，隨著剛度比的降低，梁的彎矩不斷上升，因此，剛度比較為合理的區(qū)間為0.5-2。

3 結(jié)語

通過上述分析，本文主要得出下列結(jié)論：

（1）連續(xù)梁拱組合體系橋梁在恒載以及活載作用時(shí)的結(jié)構(gòu)能力，受失跨比影響最大的為軸向力。

（2）不管是恒載還是活載的作用下，失跨比對(duì)結(jié)構(gòu)軸向力的影響規(guī)律均相同，表現(xiàn)為隨著失跨比的降低而線性上升。對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的彎矩則表現(xiàn)為非線性變化。

（3）當(dāng)梁拱面積保持不變時(shí)，剛度比的變化對(duì)恒載作用下的結(jié)構(gòu)軸向力影響較小，主要影響梁拱彎矩的分配。當(dāng)同時(shí)改變梁拱截面面積以及抗彎慣性矩時(shí)，隨著剛度比的減小梁拱軸線上不斷上升，系梁彎矩所受剛度比變化的影響較拱肋大。

（4）當(dāng)剛度比取值在區(qū)間2-0.5之間時(shí)，梁拱的彎矩可以得到較為均勻的分配，受力較為合理，構(gòu)造處理也較為方便。