網(wǎng)狀吊桿拱橋在大跨度重載交通中的應(yīng)用

段書(shū)龍， 鄭國(guó)華

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

網(wǎng)狀吊桿拱橋?yàn)椴糠中钡鯒U與其他斜吊桿至少交叉二次的加密型尼爾森體系拱橋(圖1)[1]，吊桿相互交叉成網(wǎng)狀，所以也稱(chēng)為網(wǎng)狀吊桿拱橋。其受力特點(diǎn)和設(shè)計(jì)構(gòu)造與豎直吊桿拱橋有較大區(qū)別，網(wǎng)狀吊桿拱橋拱肋和系梁承受的彎矩較小，且分布較為均勻，結(jié)構(gòu)剛度大，節(jié)省材料，經(jīng)濟(jì)美觀等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 吊桿類(lèi)型分類(lèi)

世界上第一座網(wǎng)狀吊桿拱橋是修建于20世紀(jì)60年代挪威Steinkjer公路橋，而后網(wǎng)狀吊桿拱橋在歐美和日本得到較大發(fā)展。網(wǎng)狀吊桿拱橋跨度一般在400 m以?xún)?nèi)，橫向?qū)挾仍?5 m以下，拱肋多采用鋼箱和鋼管結(jié)構(gòu)，系梁也多采用鋼箱結(jié)構(gòu)，部分橋梁也采用組合結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)。

國(guó)內(nèi)網(wǎng)狀吊桿拱橋早期多用于鐵路橋梁，近年在公路上得到推廣，網(wǎng)狀吊桿拱橋整體剛度大，較為適合公路重載交通，因此本文探討網(wǎng)狀吊桿拱橋在重載交通下的應(yīng)用。

本文以國(guó)內(nèi)某高速公路橋?yàn)槔?，該高速公路為?guó)內(nèi)東西向國(guó)家高速公路網(wǎng)中的重要組成部分，重載車(chē)輛密集，因路網(wǎng)改擴(kuò)建需要擬在該道路上建設(shè)一座150 m主跨網(wǎng)狀吊桿拱橋。

1 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

本橋建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為雙向八車(chē)道，橋梁標(biāo)準(zhǔn)寬度為42 m，左右幅寬20.5 m，中間分隔帶1 m，主橋部分因受拱肋影響，全寬為45.3 m，橫向設(shè)置三片拱肋(圖2)。

圖2 主橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

拱肋與系梁取值同等高度和寬度，邊縱梁(邊拱)1.5 m寬×2.0 m高，中縱梁(中拱)1.8 m寬×2.4 m高。拱肋矢跨比為1/5，拱軸線(xiàn)懸鏈線(xiàn)設(shè)計(jì)(圖3)。

圖3 上部結(jié)構(gòu)布置圖

吊桿采用梁上錨點(diǎn)等間距布置，等角度設(shè)計(jì)。吊桿梁上錨點(diǎn)間距7.2 m，角度65°，單拱肋吊桿橫向交錯(cuò)布置，邊拱肋吊桿橫向間隔50 cm，中拱肋吊桿橫向間隔60 cm(圖4)。

圖3 拱肋吊點(diǎn)示意圖

梁為縱橫梁結(jié)構(gòu)，全橋橫向分布三道主縱梁，主縱梁采用鋼箱結(jié)構(gòu)，每道主縱梁之間設(shè)置兩道小縱梁，相鄰主縱梁間距21.9 m，小縱梁間距6.75 m，采用工字型斷面。橫向間隔3.6 m設(shè)置一道中橫梁，中橫梁按工字型斷面變高度設(shè)計(jì)。梁端拱梁結(jié)合處各設(shè)置一道端橫梁，采用鋼箱結(jié)構(gòu)變高度設(shè)計(jì)。

橋面板采用26 cm鋼筋混凝土預(yù)制板，縱橫向均采用剪力釘和濕接縫與鋼梁連接，橋面板上鋪裝10 cm瀝青混凝土。

吊耳在拱端和梁端均采用叉耳形式，根據(jù)吊桿位置不同采用不同的鋼絞線(xiàn)類(lèi)型(圖5)。

圖4 吊桿大樣圖

2 施工方法

網(wǎng)狀吊桿拱橋施工方法比較多，最常見(jiàn)的是支架拼裝，先梁后拱法施工，該方法在橋下有條件搭設(shè)支架的情況下進(jìn)行，施工簡(jiǎn)單，是該類(lèi)橋梁最常使用的方法，過(guò)程中按照施工順序組裝橋梁構(gòu)件，不存在體系轉(zhuǎn)換和主要構(gòu)件的移動(dòng)，安全可靠，方便快捷。

橋梁施工不具備搭設(shè)支架的條件下，可以采用先拱后梁的施工方法，采用臨時(shí)吊索拼裝拱肋，然后吊裝法施工主梁，該方法需要較多的臨時(shí)措施，施工造價(jià)較高，風(fēng)險(xiǎn)性也較大，多用于山區(qū)峽谷等地質(zhì)條件較好的有推力拱。

在通航條件較好，浮吊能力較大的跨河橋梁中，也可以使用浮吊的形式架設(shè)拱肋和主梁。

網(wǎng)狀吊桿拱橋因截面尺寸小，結(jié)構(gòu)自重輕，因此比較適合頂推方案。頂推方案分為橫向頂推和縱向頂推兩種，可以根據(jù)橋梁狀況擇優(yōu)選取。該施工方案在拼裝完成后，整體頂推到橋位，施工便捷，節(jié)約工期。

本橋的施工采用縱向頂推方案，施工順序如圖5所示。

圖5 施工過(guò)程示意圖

施工中，基礎(chǔ)施工與拱橋拼裝同步進(jìn)行，節(jié)約工期，為減少頂推重量，頂推僅包括主縱梁、橫梁、拱肋和橫撐，為防止頂推工程中拱肋變形，采用臨時(shí)剛性吊桿固定拱肋，頂推到位后，逐漸更換永久吊桿。

網(wǎng)狀吊桿拱橋施工方案較為多樣化，普通拱橋的施工方案均都適用于網(wǎng)狀吊桿拱橋，條件允許的情況下多采用先梁后拱的支架施工方案，因橋梁結(jié)構(gòu)纖細(xì)，重量較輕，頂推方案也是網(wǎng)狀吊桿拱橋較為便捷的施工方案。設(shè)計(jì)過(guò)程中可以根據(jù)具體的橋位情況進(jìn)行選擇。

3 網(wǎng)狀吊桿拱橋受力分析

3.1 結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

網(wǎng)狀吊桿拱橋因斜向吊桿在面內(nèi)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，發(fā)生變形時(shí)因吊桿作用相互牽制，使得拱肋和梁的變形得到約束，面內(nèi)剛度較大。

在恒載作用下，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布如圖6、圖7所示。

圖6 橋梁彎矩圖

圖7 橋梁軸距圖

在恒載作用下，橋梁拱肋和主梁截面彎矩都比較小，最大位置為拱腳處，拱肋最大彎矩為2650 kN·m，主縱梁最大彎矩在拱梁結(jié)合處，最大值為5500 kN·m。截面主要承受軸力，軸力分布比較均勻，拱肋軸力在23 000～27 000 kN，主縱梁受拉，軸力在21 000～22 800 kN。

網(wǎng)狀吊桿拱橋承受的彎矩小，軸力大，受力明顯優(yōu)于他類(lèi)型吊桿拱橋[3]，因此可以減小拱肋和主縱梁截面尺寸，節(jié)約材料，降低橋梁造價(jià)，進(jìn)一步提高橋梁美觀性，在橋梁施工方案上也有了更多的選擇，根據(jù)橋梁的具體情況選擇合適的施工方案。

3.2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

網(wǎng)狀吊桿拱橋面內(nèi)吊桿交織，相互制約，剛度較大，一般失穩(wěn)均為面外失穩(wěn)，因此國(guó)外設(shè)計(jì)的網(wǎng)狀吊桿拱橋多為橫撐密布型，通過(guò)增加橫撐保持面外穩(wěn)定。

本橋設(shè)計(jì)時(shí)，每?jī)善袄唛g設(shè)置三道“X”撐，橫撐分布如圖8所示。

圖8 橫撐布置圖

該橋的前5階失穩(wěn)模態(tài)均為面外，其模態(tài)分布見(jiàn)表1。

表1 失穩(wěn)模態(tài)表

該橋在面外穩(wěn)定性較好，因此設(shè)計(jì)時(shí)確保結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足規(guī)范要求即可。

3.3 撓度計(jì)算

活載作用下(考慮重載交通的特殊荷載)主橋最大下?lián)现禐?.3 cm，滿(mǎn)足規(guī)范要求。對(duì)比相同結(jié)構(gòu)尺寸、剛度下豎直吊桿拱橋撓度值為15.7 cm，下?lián)狭考s為網(wǎng)狀吊桿拱橋的4.7倍。說(shuō)明網(wǎng)狀吊桿拱橋剛度較大，變形小。

在重載交通作用下，橋梁的變形很小，很大程度上改善了行車(chē)平順性和舒適性，因此網(wǎng)狀吊桿拱橋適用于重載交通流下的公路橋梁。

4 網(wǎng)狀吊桿拱橋構(gòu)造特點(diǎn)

通過(guò)計(jì)算分析，網(wǎng)狀吊桿拱橋拱肋和主梁承受彎矩較小，且分布較為均勻，因此拱肋和梁尺寸設(shè)計(jì)較小，這在很大程度上減輕了結(jié)構(gòu)自重，統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)外網(wǎng)狀吊桿拱橋，構(gòu)造特點(diǎn)存在以下幾個(gè)方面：

(1)網(wǎng)狀吊桿拱橋拱肋矢跨比一般較小，拱肋矢跨比分布在1/7～1/5，拱軸線(xiàn)多采用圓曲線(xiàn)和懸鏈線(xiàn)。拱肋可以采用鋼管、鋼箱等結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用較少。

(2)主梁因承受彎矩較小，構(gòu)件尺寸遠(yuǎn)小于常規(guī)結(jié)構(gòu)。梁的結(jié)構(gòu)形式一般采用鋼結(jié)構(gòu)、鋼混結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。

(3)吊桿：吊桿采用斜向布置，角度傾斜45～75°，吊桿較密，數(shù)量較多，通常是豎直吊桿的2～4倍。吊桿布置一般存在以下幾種方式[2]：① 恒定角度，即吊桿梁上端點(diǎn)(下錨點(diǎn))沿跨度等間距吊桿與主梁成恒定角度，或拱上端點(diǎn)(上端點(diǎn))沿拱軸線(xiàn)等間距布置，吊桿與拱軸線(xiàn)成恒定角度；② 遞增(減)傾角，即吊桿拱上端點(diǎn)沿拱軸線(xiàn)等間距布置，吊桿下端點(diǎn)間距變化。

5 結(jié) 論

網(wǎng)狀吊桿拱橋拱、梁承受彎矩小而均勻，穩(wěn)定性較好，整體剛度大，節(jié)省材料，經(jīng)濟(jì)美觀，施工便捷。具有較好的應(yīng)用前景[4]，目前該類(lèi)橋型已經(jīng)在國(guó)外得到較大推廣，國(guó)內(nèi)鐵路橋中應(yīng)用較多，公路橋近幾年也得到了一定的應(yīng)用，但是數(shù)量較少，希望通過(guò)本橋的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和施工方法，能對(duì)該類(lèi)橋型的推廣和普及提供一些幫助和參考。