強(qiáng)梁弱拱公路連續(xù)梁拱組合橋設(shè)計(jì)研究

收稿日期：2023-11-22

作者簡(jiǎn)介：朱鴻欣（1972—），男，湖北武漢人，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：橋梁設(shè)計(jì)。

摘 要：對(duì)一座采用“強(qiáng)梁弱拱”的公路連續(xù)梁拱組合橋開(kāi)展研究，對(duì)該橋的拱、梁結(jié)構(gòu)在施工過(guò)程中及通車運(yùn)營(yíng)后的受力、變形特點(diǎn)進(jìn)行了分析，歸納總結(jié)拱、梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)造尺寸、截面特性值的差異與其承擔(dān)的荷載作用之間的關(guān)系，分析結(jié)果用來(lái)指導(dǎo)該橋的設(shè)計(jì)，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)、可行的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：連續(xù)梁拱組合橋；強(qiáng)梁弱拱；公路橋；拱肋；吊桿；主梁

中圖分類號(hào)：U442.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2024）03-0007-03

1橋梁概況

某跨越黃河大橋橋位處河寬210 m，IV級(jí)航道。管理部門(mén)要求河中橋墩數(shù)≤2個(gè)，通航孔跨徑≥150 m。該橋橋面布置雙向4車道并設(shè)非機(jī)動(dòng)車道和人行道，設(shè)計(jì)荷載為公路I級(jí)。主橋?yàn)椋?0+150+80）m連續(xù)梁拱組合橋，中跨為下承式梁拱組合結(jié)構(gòu)。本橋道路豎向設(shè)計(jì)受限于3個(gè)要求：①橋下通航凈高要求≥8 m。②主橋南端無(wú)引橋，要求與河堤頂部道路平交。③最大縱坡要求≤3%，須嚴(yán)格控制中跨梁高。

本橋施工受限于兩點(diǎn)：①橋位周邊建筑密集，施工場(chǎng)地狹窄，難以采用懸拼法或轉(zhuǎn)體法建造拱結(jié)構(gòu)。②對(duì)河道通航及行洪要求高，施工期間不能大量占用水域面積，不宜采用支架法建造拱結(jié)構(gòu)或梁結(jié)構(gòu)。

最終采用的施工方案為：懸澆法完成（80+150+80）m連續(xù)梁施工。連續(xù)梁成橋后，在中跨橋面上搭設(shè)支架裝配鋼管拱肋。完成拱肋、吊桿安裝，施工橋面附屬結(jié)構(gòu)。連續(xù)梁先行成橋，獨(dú)自承擔(dān)梁自重以及建造拱肋時(shí)的施工荷載，后期安裝完成的拱結(jié)構(gòu)則承擔(dān)部分橋面附屬結(jié)構(gòu)恒載（二期恒載）及汽車等活載。

2設(shè)計(jì)研究

2.1 模型建立

本橋橫向?qū)挾容^大，故主梁采用單箱多室整體箱型截面，其剛度及體量均大于常規(guī)公路梁拱組合橋中的系梁。

梁拱組合體系中，二期恒載及汽車等活載均直接作用于主梁，再通過(guò)主梁豎向變形及吊桿的軸向拉伸傳遞給拱肋，拱肋的剛度、吊桿的截面積都會(huì)影響其參與受力的程度，為此建立有限元模型計(jì)算分析當(dāng)拱肋剛度、吊桿面積不同時(shí)，主梁內(nèi)力的變化。拱肋采用鋼管混凝土，吊桿采用高強(qiáng)鍍鋅鋼絲拉索。拱肋線形為懸鏈線，矢跨比1：5。表1中模型1的結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)值擬定，作為比較的基準(zhǔn)參數(shù)。模型2、3在模型1基礎(chǔ)上增大不同倍數(shù)。

2.2 計(jì)算分析

在各項(xiàng)荷載作用下，不同模型中的主梁內(nèi)力及變形均存在差異，并呈現(xiàn)一定變化規(guī)律。

2.2.1 二期恒載

當(dāng)全橋作用200 kN/m的二期恒載時(shí)，不同模型中主梁截面內(nèi)力及變形如表2～4所示。

當(dāng)拱肋慣性矩和吊桿面積增加時(shí)，有以下6點(diǎn)發(fā)現(xiàn)：①表2顯示中跨各截面彎矩減少幅度較大，最多可減少52%（1/2中跨處）。②表3顯示中跨各截面剪力減少程度不及彎矩，剪力最多減少21%（1/4中跨處）。③表4顯示中跨各截面豎向撓度明顯減小，最多可減少60%（1/2中跨處）。④表5顯示邊跨各截面的正彎矩增加，1/2邊跨處正彎矩可增加66%。同時(shí)截面的負(fù)彎矩減少，3/4邊跨處負(fù)彎矩減少26%。⑤表6顯示邊跨各截面剪力略有減小，最多減少10%。⑥表7顯示邊跨各截面豎向撓度增加顯著，1/2邊跨處增加38%。

可見(jiàn)拱肋慣性矩和吊桿面積的變化，主要引起主梁中跨內(nèi)力及豎向撓度變化，進(jìn)而通過(guò)結(jié)構(gòu)變形的連續(xù)性影響到邊跨，邊跨內(nèi)力和撓度的變化程度相對(duì)偏低。

2.2.2汽車荷載

本橋汽車荷載采用公路-I級(jí)，是成橋后的主要荷載，在其作用下不同模型中主梁截面內(nèi)力及變形如表8～10所示。

表8顯示，汽車荷載作用下，不同模型主梁中跨內(nèi)各截面彎矩的變化相對(duì)較小。如1/2中跨處正彎矩最多減少38%， 中支點(diǎn)負(fù)彎矩僅減少8%。表9顯示，拱肋慣性矩和吊桿面積的變化對(duì)主梁中跨截面剪力的影響很小。如1/4中跨處剪力減少4%（模型2）～16%（模型3），中支點(diǎn)處僅減小0.3%（模型2）～2%（模型3）。表10顯示，拱肋慣性矩和吊桿面積的增加明顯減小主梁中跨的撓度。在1/4中跨處撓度減小16%（模型2）～40%（模型3），在1/2中跨處撓度減小36%（模型2）～65%（模型3）。

表11中，將模型2、3對(duì)比模型1發(fā)現(xiàn)：近梁端處截面（1/4、1/2邊跨）最大正彎矩值變化不大，而最大負(fù)彎矩值減小較多。近中支點(diǎn)處截面（1/4、1/2邊跨）最大正、負(fù)彎矩值變化幅度較小。

表12中，將模型2、3對(duì)比模型1發(fā)現(xiàn)：各截面剪力值變化較小，且近梁端處截面（1/4、1/2邊跨）減小，近中支點(diǎn)處截面（1/4、1/2邊跨）增加。

表13顯示，不同模型中邊跨內(nèi)各截面撓度值變化很小。

2.3 設(shè)計(jì)成果

分析結(jié)果顯示，在連續(xù)梁中跨增設(shè)拱結(jié)構(gòu)，隨著拱肋截面慣性矩和吊桿面積增加，其承擔(dān)的荷載也增大，對(duì)主梁中跨各截面的內(nèi)力及變形的改善效果更明顯，但是繼續(xù)增大拱結(jié)構(gòu)參數(shù)并沒(méi)有同比例地增加其承擔(dān)的荷載。

本橋設(shè)計(jì)中首先要求主梁必須具備一定的強(qiáng)度和剛度，以保證施工期間的結(jié)構(gòu)安全。其次中跨增加的拱結(jié)構(gòu)能夠滿足主梁梁高較小的情況下，主梁各截面內(nèi)力及撓度滿足要求即可。

與連續(xù)梁橋方案相比，本橋采用梁拱組合橋后，二期恒載作用下，主梁中跨跨中截面的最大正彎矩減少62%，中支點(diǎn)截面最大負(fù)彎矩減少46%，中跨跨中撓度減少73%，邊跨負(fù)彎矩區(qū)段縮短且數(shù)值減少，邊跨撓度方向改變且數(shù)值減小。具體如圖2、圖3所示。

采用梁拱組合橋后，汽車荷載作用下，主梁中跨跨中截面的最大正彎矩減少60%，邊跨跨內(nèi)最大正彎矩減少33%，同時(shí)中支點(diǎn)截面最大負(fù)彎矩減少47%。中跨跨中撓度減少79%，邊跨跨內(nèi)最大撓度減少47%。具體如圖4、圖5、圖6所示。

3結(jié)束語(yǔ)

連續(xù)梁拱組合橋的設(shè)計(jì)，需要明確梁、拱在組合體系中的作用大小，其由梁、拱結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能參數(shù)、參與受力的階段決定。要遵循安全經(jīng)濟(jì)的原則，經(jīng)過(guò)試算、比選才能合理地確定主梁、拱肋、吊桿等構(gòu)件的性能參數(shù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 謝大鵬，胡國(guó)偉.高速鐵路大跨度梁拱組合橋鋼管拱原位拼裝方案設(shè)計(jì)研究[J].高速鐵路技術(shù)，2014，5（3）：100-104.

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