大跨度鋼桁架拱橋關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)研究

大跨度鋼桁架拱橋關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)研究

為了研究大跨度鋼桁架拱橋的主要設(shè)計(jì)參數(shù)對結(jié)構(gòu)受力特性的影響，以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于珠海橫琴二橋，通過建立具有不同設(shè)計(jì)參數(shù)的有限元模型，對比了不同的支承體系，拱軸線，矢跨比對結(jié)構(gòu)受力、施工難易程度以及經(jīng)濟(jì)性的影響，并確定了大跨度鋼桁架拱橋各項(xiàng)特征參數(shù)的最優(yōu)區(qū)間。研究結(jié)果表明，支承體系和矢跨比對拱橋受力和施工有很大的影響，而拱軸線對結(jié)構(gòu)受力影響較小，其選擇更應(yīng)從結(jié)構(gòu)美觀的角度考慮，相關(guān)結(jié)論可以為同類型的橋梁設(shè)計(jì)提供參考。

大跨度鋼桁架系桿拱橋外形輪廓美觀，剛?cè)嵯酀?jì)，易于與周邊景觀協(xié)調(diào)搭配。鋼桁架系桿拱橋結(jié)構(gòu)桿件多，受力情況復(fù)雜，每根桿件可根據(jù)受力大小而靈活改變鋼型和截面。在進(jìn)行拱橋設(shè)計(jì)時(shí)，為了優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力，充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能，有必要對鋼桁架系桿拱橋的約束體系和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究。王福敏、段雪煒在進(jìn)行重慶朝天門大橋設(shè)計(jì)時(shí)，對鋼桁拱橋的支承體系做過深入的探討；文基于南京大勝關(guān)橋，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)的選擇進(jìn)行研究和介紹；文對中承式系桿拱橋的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的研究；蔡健研究了鋼桁架拱橋桿件的穩(wěn)定性和極限承載能力，進(jìn)而探討了鋼桁架拱橋的失效路徑和破壞機(jī)理。

為了對大跨度鋼桁架拱橋的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)做更深入研究，以確定各項(xiàng)參數(shù)的最優(yōu)區(qū)間，基于橫琴二橋，通過對比約束體系、矢跨比、拱軸線等因素對桿件和基礎(chǔ)受力、對用鋼量和結(jié)構(gòu)安全和施工難度等方面的影響，比選出最優(yōu)方案，以提高結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

工程概況

橫琴二橋主橋跨度布置為（100+400+100）m，主拱肋拱軸線下弦為拱軸系數(shù)m=1.6133次懸鏈線，邊拱下弦為半徑R=285m圓曲線，上弦拱頂段采用R=300m圓曲線，并以R=1200m反圓弧與橋面相接于。拱肋下弦矢高90m，拱頂處拱肋上下弦的桁高7m，節(jié)間長度為12m、14m和16m，主桁橫向中心間距36m。采用密縱梁體系疊合混凝土橋面板的橋面系結(jié)構(gòu)形式，橫梁間距12～16m，次縱梁間距4m，預(yù)制混凝土板厚26cm，通過剪力釘及濕接縫與橫梁及次縱梁連接。雙向六車道，設(shè)計(jì)荷載：公路-Ⅰ級(jí)，設(shè)計(jì)速度100km/h。

如圖1所示，全橋有限元模型共劃分為6251個(gè)單元，其中梁單元 3987個(gè)，只受拉桁架單元56個(gè)，2208個(gè)板單元；主桁架桿件材料采用Q345qD和 Q420qD，橋面板采用C60混凝土橋面板，吊桿和系桿均采用1860MPa鋼絞線。

圖1　橫琴二橋有限元模型示意圖

關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)研究

支承體系參數(shù)研究

當(dāng)橋型與孔跨布置確定后，邊界條件對結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的受力會(huì)產(chǎn)生較大影響，同時(shí)也會(huì)對支座的選擇和鋼桁架的合攏施工產(chǎn)生影響。拱橋按支承體系可分為三鉸拱、兩鉸拱和無鉸拱，三鉸拱為靜定結(jié)構(gòu)，計(jì)算最為簡單，但由于結(jié)構(gòu)整體剛度相對偏小，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中多采用后兩者。己建成的單跨鋼桁架拱橋基本上采用兩端鉸支的支承條件。為了獲得最優(yōu)的結(jié)構(gòu)支承體系，對本橋分別采用兩種支座體系進(jìn)行對比計(jì)算：

1.固定鉸-活動(dòng)鉸支座：2#墩左支座采用縱向固定支座，其余各墩均設(shè)置縱向或多向活動(dòng)支座；

2.固定鉸-固定鉸支座：2、3#墩均設(shè)置鉸支座，其中右側(cè)的支座為橫橋向可活動(dòng)，其余設(shè)置多向活動(dòng)支座。支座平面布置示意圖如圖2所示。

圖2　

圖3　恒載作用下下弦桿軸力分布

圖4　溫度荷載作用下下弦桿軸力

圖5　方案②在溫度荷載作用下轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖

圖6　結(jié)構(gòu)位移圖

不同支承體系結(jié)構(gòu)內(nèi)力對比

在恒載作用下，兩種支座體系下弦桿的內(nèi)力分布如圖3所示，由圖可見：不同的支座方案對拱頂、拱梁結(jié)合處桿件的軸力影響較小，對拱腳位置的桿件影響較大。與活動(dòng)鉸方案相比，雙固定鉸方案中跨側(cè)拱腳處軸力大9778 kN，但邊跨側(cè)拱腳的軸力小28762 kN，這部分力轉(zhuǎn)化為支座反力由支座承擔(dān)。對于活動(dòng)鉸支座方案，系梁需要承擔(dān)結(jié)構(gòu)的水平推力，因此方案②系梁桿件的軸力明顯小于方案①。

由圖4可見，在溫度荷載（整體升溫30℃）作用下，支座方案②結(jié)構(gòu)構(gòu)件的應(yīng)力明顯大于方案①， 且對邊跨桿件受力影響較大，這是由于中跨受熱膨脹時(shí)由于雙鉸支座約束，使左右半結(jié)構(gòu)繞各自中支點(diǎn)有轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢（圖5），因此導(dǎo)致邊跨支座豎向反力增大，邊跨上弦桿及腹桿產(chǎn)生壓應(yīng)力，下弦桿則產(chǎn)生很大的溫度拉應(yīng)力，最大達(dá)到117.2MPa。

不同支座體系結(jié)構(gòu)位移對比

兩支座體系結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移如圖6所示。由圖可見：活動(dòng)鉸方案允許橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生順橋向位移，在恒載作用下，3#墩處發(fā)生最大的順橋向位移14.5cm，所以活動(dòng)鉸方案主拱拱頂下?lián)衔灰戚^雙固定鉸方案大7.6cm。

溫度升高30℃時(shí)，由于方案①的結(jié)構(gòu)縱向可以自由活動(dòng)，因此方案①的水平位移明顯大于方案②，與此同時(shí)由于方案②限制結(jié)構(gòu)的縱向位移，溫升時(shí)方案②產(chǎn)生的豎向位移明顯大于方案①。

這說明固定鉸支座方案能提高結(jié)構(gòu)的豎向剛度，但兩支座體系的結(jié)構(gòu)剛度都比較大，活載作用下?lián)隙染h(yuǎn)小于1/800的要求，因此剛度不是設(shè)計(jì)控制因素。

不同支座體系支反力

恒載作用下兩支座方案產(chǎn)生支座反力如表1所示，因?yàn)榛顒?dòng)鉸方案豎向撓度大于固定支座方案，中跨下?lián)系耐瑫r(shí)使邊跨上拱，因此活動(dòng)鉸方案能減小邊支座的反力，而中跨支座的反力則增大了8484kN，可見邊跨的這部分豎向反力轉(zhuǎn)由拱腳處的支座承擔(dān)；而對于雙固定鉸方案，支座需承受35147.9kN的水平推力。

表1　不同支座方案恒載支反力數(shù)據(jù)（kN）

由上述分析可見，僅在恒載作用下，兩種支座方案計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移的差別都不大；在溫度荷載作用下，固定鉸支座結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生的附加內(nèi)力明顯大于活動(dòng)鉸方案。但雙鉸支座需要承受水平推力，相比之下活動(dòng)鉸方案支座不受水平推力，施工期間可對結(jié)構(gòu)進(jìn)行位移調(diào)整而不影響結(jié)構(gòu)受力，易于保證成橋線形和受力狀態(tài)。

矢跨比研究

矢跨比是拱橋的一個(gè)特征參數(shù)，隨著矢跨比的增大，橋梁拱的特性越來越顯著，反之梁的特性越明顯。拱的矢高對結(jié)構(gòu)內(nèi)力、吊桿長度、動(dòng)力特性、剛度和穩(wěn)定性、施工難度以及工程經(jīng)濟(jì)性和橋梁美觀等各方面均存在較大的影響。對于大跨度拱橋，為了達(dá)到較大的跨徑，需要適當(dāng)增大矢跨比，但隨著矢跨比的增大，拱圈部分桿件的長度也隨之增大，增加用鋼量；而減小矢跨比會(huì)增大拱腳的推力，對基礎(chǔ)的要求更高（有推力拱）或者會(huì)增加系梁或系桿的用量（無推力拱）。因此，選擇矢跨比時(shí)應(yīng)綜合考慮各種影響因素。大跨徑鋼桁架拱橋的矢跨可選在1/4～1/6之間，大部分在1/4～1/5之間。

為研究矢跨比對鋼桁拱橋的影響，保持橋梁孔跨和拱軸系數(shù)不變，改變矢高為66.6m、80m、85m、90m、95m、100m和133.3m，對應(yīng)的矢跨比1/6、1/5、1/4.71、1/4.44、1/4.21和1/3。當(dāng)矢跨比變化時(shí)，下弦拱軸上的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)通過m=1.6133次懸鏈線方程計(jì)算得到，懸鏈線方程如式（1）所示：

其中：

ε=2x/l

f——矢跨比；

m——拱軸系數(shù)；

l——拱橋跨度；

gd——拱頂?shù)暮爿d集度；

表2　不同矢高比結(jié)構(gòu)撓度分布

表3　不同拱軸線對結(jié)構(gòu)受力影響

不同矢高計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和撓度如表2所示，可見增大矢跨比可以減小拱腳處桿件的軸力，改善結(jié)構(gòu)豎向剛度和梁端轉(zhuǎn)角，但橫向剛度隨之減弱，矢跨比過大也會(huì)使主拱圈拱肋部分鋼材的用量增加，增大建造成本；且對結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力和抗震性能有不利影響，增加施工難度；減小矢跨比會(huì)增加拱的推力，對于有推力拱來說，推力增加對橋梁基礎(chǔ)部分不利，對于無推力拱來說，會(huì)增加系梁或水平拉索的用量；綜合考慮設(shè)計(jì)、制造、施工難度、剛度及行車條件及用鋼量，鋼桁架系桿拱橋的矢跨比取為1/4～1/5是合理的，橫琴二橋的設(shè)計(jì)矢跨比為1/4.44，處于最優(yōu)區(qū)間。

拱軸線研究

拱軸線是拱橋概念設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，直接關(guān)系到拱肋截面內(nèi)力的大小和分布。選擇拱軸線的原則就是盡可能降低荷載產(chǎn)生的彎矩，當(dāng)設(shè)計(jì)拱軸線為理想拱軸線時(shí)，拱肋截面只有軸向壓力而無彎矩作用。但由于活載、溫度變化和材料收縮等因素的影響，這種理想拱軸線實(shí)際中很難獲得。

對于鋼桁架拱橋，拱肋下弦桿為真實(shí)的拱軸線。為了研究拱軸線對結(jié)構(gòu)的影響，通過改變拱軸系數(shù)m來調(diào)整下弦拱軸線，且盡量保持原結(jié)構(gòu)桿件設(shè)計(jì)長度、重量的不變，調(diào)整上弦拱軸線圓曲線半徑及微調(diào)部分腹桿長度和斜腹桿長度、角度。分別以拱軸系數(shù)m=1.4、m=1.5、m=1.6133，二次拋物線、m=1.7、m=1.8對結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整計(jì)算。

從表3可以看出，對于鋼桁架拱橋而言，拱軸線對結(jié)構(gòu)的受力影響不大。因此，大跨度鋼桁架拱橋拱軸線的選擇更應(yīng)該從外形美觀、與周圍景觀搭配協(xié)調(diào)、制作和施工方便來考慮。

結(jié)論

結(jié)論通過對橫琴二橋的支承體系、系桿類型、矢跨比和拱軸線等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行比較分析，可以得到如下結(jié)論：

1.僅在恒載作用下，兩種支座方案計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及位移的差別都不大；但雙鉸支座對支座提出非常高的要求；相比之下活動(dòng)鉸方案支座不受水平推力，對基礎(chǔ)、墩臺(tái)等要求較低，施工期間易于調(diào)整結(jié)構(gòu)位移；因此對于多跨鋼桁拱橋，活動(dòng)鉸方案可作為推薦方案；

2.綜合考慮設(shè)計(jì)、制造、施工難度、剛度及行車條件及用鋼量，鋼桁架系桿拱橋的矢跨比設(shè)計(jì)最優(yōu)區(qū)間為1/4～1/5；

3.對鋼桁架拱橋而言，在一定范圍內(nèi)調(diào)整拱軸系數(shù)并不能明顯改變結(jié)構(gòu)受力和經(jīng)濟(jì)性，所以鋼桁架拱橋拱軸線的選擇更應(yīng)該從外形美觀、與周圍景觀搭配協(xié)調(diào)、制作和施工方便來考慮。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.15.025