斜跨異型拱橋的設(shè)計(jì)與分析

王會(huì)利 秦泗鳳 張 哲 楊 光

（大連理工大學(xué)橋梁工程研究所1） 大連 116023）

（大連大學(xué)材料破壞力學(xué)數(shù)值試驗(yàn)研究中心2） 大連 116022）

（林同棪國(guó)際（重慶）工程咨詢有限公司3） 重慶 401121）

0 引 言

隨著交通事業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)橋梁建筑提出了更高的要求．橋梁已不單純作為交通線上重要的工程實(shí)體，而且亦作為一種空間藝術(shù)結(jié)構(gòu)物存在于社會(huì)之中，特別是對(duì)橋梁美學(xué)日益重視．異型拱橋的斜吊桿和異型拱圈兩者組成獨(dú)特的外形，與一般靜態(tài)效果的拱橋相比，能產(chǎn)生強(qiáng)烈的動(dòng)勢(shì)效果和優(yōu)美的韻律感，易與周圍景觀相協(xié)調(diào)［1－3］．目前國(guó)內(nèi)外已建多座異型拱橋，包括安陽(yáng)市東風(fēng)橋、哈爾濱動(dòng)物園1＃橋、哈爾濱寬城橋、沈陽(yáng)新開(kāi)河橋、天津大沽橋、廣西南寧大橋、巴西的儒塞利諾－庫(kù)比契克總統(tǒng)橋（President Juscelino Kubiteschek Bridge In Brazil）等．一些學(xué)者也對(duì)異型拱橋展開(kāi)相關(guān)研究，李喬［4］分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)異型拱橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，葛蘇閩［5］用B樣條函數(shù)求解異型拱橋的合理拱軸線，楊光［6］用桁架近似數(shù)值解法分析異型拱橋的合理拱軸線，于洋［7］用能量最小原理法分析異型拱橋的合理拱軸線．關(guān)于異型拱橋的相關(guān)資料文獻(xiàn)較少，還需進(jìn)一步深入研究．

張家口清水河通泰大橋主橋主跨190m，主梁平面位于半徑600m曲線上，拱肋斜跨主梁，形成平面和立體2條相互纏繞的優(yōu)美曲線，見(jiàn)圖1．國(guó)外同樣橋型結(jié)構(gòu)的巴西的儒塞利諾－庫(kù)比契克總統(tǒng)橋被評(píng)為世界上最美的橋梁之一，通泰橋型在國(guó)內(nèi)尚屬首例．本文就通泰大橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析展開(kāi)論述，為同類型異型拱橋的設(shè)計(jì)與分析提供參考．

圖1 建成后的通泰大橋

1 結(jié)構(gòu)概況

張家口市通泰大橋斜跨清水河，為中承式鋼拱橋．主梁跨徑190m，橋面寬度34．144m．位于R＝600m的平曲線段，拱肋跨徑180m，矢跨比0．345 1．拱肋與主梁斜交布置，見(jiàn)圖2．

圖2 通泰大橋布置示意圖（單位：cm）

2 主要構(gòu)件設(shè)計(jì)

2.1 拱肋

張家口地區(qū)風(fēng)荷載較大，所以拱肋要有足夠的橫橋向剛度．拱肋為單箱單室截面，寬7．04m，高3．8m，板厚26mm，在距拱腳10m水平距離范圍內(nèi)加厚至30mm．采用T形加勁肋，高30 cm，高20cm，厚度16mm，全橋連續(xù)．拱肋上橫隔板水平間距3m，有吊點(diǎn)處橫隔板厚30mm，無(wú)吊點(diǎn)處橫隔板厚12mm．拱肋選用Q345低合金鋼．拱肋斷面見(jiàn)圖3．

圖3 拱肋斷面（單位：mm）

2.2 主梁

主梁為扁平鋼箱梁，梁高3m（中心線），頂板厚為16mm，底板厚為16mm，邊腹板為30mm．鋼箱梁內(nèi)設(shè)置四道中縱腹板，其距鋼箱梁中心線間距為6m和10．8m．鋼箱梁橫隔板標(biāo)準(zhǔn)間距為3m，中縱腹板和橫隔板上設(shè)有人孔．選用Q345低合金鋼．主梁斷面見(jiàn)圖4．

圖4 主梁斷面（單位：mm）

2.3 吊索

全橋吊索共28根，長(zhǎng)短不同，方向各異．吊索采用109f7、121f7和139f7mm高強(qiáng)度鍍鋅鋼絲成品索，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 670MPa，雙層PE保護(hù)層，冷鑄錨錨固體系．

為保護(hù)吊索，除采用PE保護(hù)層外，在橋面以上2．5m高度內(nèi)設(shè)不銹鋼管，在與主梁結(jié)合處設(shè)防水罩，上、下錨頭采用防腐油脂處理，并設(shè)置減震器，在索管內(nèi)注入發(fā)泡材料．

2.4 錨箱

通泰橋?yàn)榭臻g索面，吊索角度變化沒(méi)有規(guī)律，因此每個(gè)錨箱都不同．為了避免疲勞破壞，梁上錨箱用高強(qiáng)螺栓連接在邊腹板外側(cè)，其構(gòu)造形式類似于一般鋼斜拉橋的錨箱［8］．拱上錨箱焊接在橫隔板和底板上，將錨墊板支撐在大隔板和小隔板之間，保證索力能通過(guò)錨墊板傳遞到拱肋．錨箱示意圖見(jiàn)圖5．

圖5 錨箱示意圖

3 靜力計(jì)算分析

通泰大橋不同于常規(guī)的中承式拱橋，由于拱肋與主梁斜交布置，結(jié)構(gòu)為空間受力體系，主梁、拱肋截面同時(shí)受到縱橋向和橫橋向的外力作用，所以要關(guān)注拱肋和主梁四個(gè)角點(diǎn)的應(yīng)力情況．圖6給出拱肋截面和主梁截面各應(yīng)力點(diǎn)的位置．荷載工況包括：恒載、汽車荷載（公路I級(jí)）、系統(tǒng)升降溫、基礎(chǔ)沉降．圖7，圖8給出在最不利荷載組合下各應(yīng)力點(diǎn)的應(yīng)力包絡(luò)圖（壓應(yīng)力為負(fù)）．

圖6 截面應(yīng)力點(diǎn)

圖7 拱肋應(yīng)力

圖8 主梁應(yīng)力

從應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可以看出，拱肋最大應(yīng)力約為175MPa，發(fā)生在拱腳附近，主要由橫向荷載引起．而主梁應(yīng)力最大應(yīng)力約為70MPa，發(fā)生在1／4跨附近，主梁應(yīng)力相對(duì)較?。袄吆椭髁簯?yīng)力均小于Q345鋼材的應(yīng)力允許值，因此結(jié)構(gòu)應(yīng)力滿足要求．通泰大橋?qū)儆凇皬?qiáng)拱弱梁”型結(jié)構(gòu)，主要荷載由拱肋承擔(dān)．

4 整體穩(wěn)定性分析

拱橋的整體穩(wěn)定性是不容忽視的，斜跨拱橋造型奇特，所以其穩(wěn)定性是尤為重要的［9－11］．

一般情況下結(jié)構(gòu)的整體剛度矩陣K＝Ke＋Kσ，式中：Ke為結(jié)構(gòu)彈性剛度矩陣，Kσ為結(jié)構(gòu)幾何剛度矩陣，則結(jié)構(gòu)的平衡方程為［12］

式中：δ為結(jié)構(gòu)的位移向量；F為結(jié)構(gòu)的荷載向量．

設(shè)臨界力為λF，對(duì)應(yīng)的幾何剛度為λKσ（Ke不隨外荷載發(fā)生變化），所以

由于為臨界狀態(tài)，所以δ→δ＋Δδ時(shí)，結(jié)構(gòu)仍保持平衡，即

由式（2），（3）得

式（4）中Δδ為任意解，則

求解控制方程（5），可以得到特征值λ，即結(jié)構(gòu)的第一類穩(wěn)定系數(shù)．

圖9為通泰大橋從裸拱到成橋各階段的穩(wěn)定系數(shù)．計(jì)算分析中考慮風(fēng)荷載作用．分析發(fā)現(xiàn)，裸拱狀態(tài)穩(wěn)定系數(shù)最大，達(dá)到67．7．結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定系數(shù)隨著吊索的張拉逐步減小，成橋狀態(tài)的穩(wěn)定系數(shù)為11．3．分析結(jié)果表明，各階段的穩(wěn)定性均滿足要求，各階段的失穩(wěn)模態(tài)均為橫橋向失穩(wěn)．這主要是因?yàn)榈跛魉髁υ跈M橋向產(chǎn)生不平衡分力，隨著吊索的張拉，拱肋上不平衡力逐漸增大，再加上橫橋向的風(fēng)荷載作用，所以結(jié)構(gòu)失穩(wěn)模態(tài)是橫橋向的，并且隨著吊索的張拉，其穩(wěn)定系數(shù)逐漸減?。?/p>

圖9 各施工階段結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)

5 結(jié) 論

1）異型拱橋以其獨(dú)特別致的外形，易與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)，特別適合于城市橋梁，往往得到令人耳目一新的效果．

2）此類斜跨式異型拱橋，橫橋向荷載是強(qiáng)度和穩(wěn)定性的控制荷載．因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要關(guān)注吊索不平衡水平分力和橫向風(fēng)荷載的作用．

［1］李生智，王瑋瑤，鄔妙年．異型拱橋［M］．北京：人民交通出版社，1996．

［2］王瑋瑤，李生智，陳科昌．異型系桿拱橋［J］．中國(guó)公路學(xué)報(bào)，1996（1）：55－58．

［3］張 哲，萬(wàn)其柏．斜拉橋與其他橋型的協(xié)作研究［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2008，32（2）：214－217．

［4］李 喬，李 麗．異型拱橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析［J］．公路交通科技，2001（1）：40－43．

［5］葛蘇閩，張 松，馬志華，等．修正拱軸線的異型拱橋受力性能研究［J］．公路交通科技：應(yīng)用技術(shù)版，2006（10）：81－85．

［6］楊 光．異型拱橋的拱軸線優(yōu)化和穩(wěn)定分析［D］．大連：大連理工大學(xué)，2008．

［7］于 洋．斜跨拱橋合理成橋索力的優(yōu)化方法［D］．大連：大連理工大學(xué)，2009．

［8］周孟波．斜拉橋手冊(cè)［M］．北京：人民交通出版社，2004．

［9］黃 僑，王宗林，李廣義，等．異型拱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法［J］．東北公路，1994（3）：32－36．

［10］王向陽(yáng)，鐘 佩，高永華，等．鋼管混凝土箱型拱橋空間結(jié)構(gòu)分析研究［J］．武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2008，32（3）：558－560．

［11］GUIXIA N，PENG Z L，YAN L Z，et al．Design and stability analysis of a special concrete－filled steel tubular arch bridge［C］／／Fourth International Conference on Advances in Steel Structures，Oxford：Elsevier Science Ltd，2005：1639－1644．

［12］項(xiàng)海帆．高等橋梁結(jié)構(gòu)理論［M］．北京：人民交通出版社，2001．