斜靠式鋼箱拱橋穩(wěn)定承載力及成橋試驗(yàn)

顧曉毅

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引言

世界上首座斜靠式拱橋?yàn)?987 年建造于巴塞羅那的Bacde Road Bridge，我國(guó)已建成的斜靠式拱橋有昆山玉峰大橋、義烏丹溪大橋和上海康寧路蕰藻浜大橋等。該類型拱橋是傳統(tǒng)拱橋的創(chuàng)新，避免了主拱間風(fēng)撐造成的行車壓抑感，同時(shí)增設(shè)斜靠拱，與主拱形成的三角形體系有效保證了拱肋的空間穩(wěn)定性。

斜靠式拱橋一般用于橋面寬度較大、對(duì)景觀有一定要求的橋梁。國(guó)內(nèi)該類橋梁的最大橋面寬度、主跨分別達(dá)到了60 m 和160 m。根據(jù)橋位地質(zhì)條件，斜靠式拱橋可采用有推力拱、系桿拱或組合體系（圖1 所示），其中（a）、（b）體系適用于地質(zhì)條件較好地區(qū)，（c）、（d）體系適用于軟土地區(qū)。

圖1 斜靠式拱橋結(jié)構(gòu)體系（橫斷面）圖

斜靠式鋼箱拱橋結(jié)構(gòu)體系較為新穎，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究并不多。肖汝誠(chéng)[1]等以昆山玉峰大橋?yàn)槔?，?duì)斜靠式鋼管混凝土拱橋的力學(xué)性能、構(gòu)造特征等問題進(jìn)行分析；王玉銀[2]等以廣東金山大橋?yàn)楸尘?，探討其力學(xué)性能、破壞機(jī)理和穩(wěn)定承載力；陳淮等以益陽康富南路橋[3]、潮州韓江北橋[4]為研究對(duì)象，進(jìn)行振動(dòng)特性及參數(shù)分析。上述研究主要針對(duì)鋼管混凝土斜靠拱橋，而針對(duì)斜靠式鋼箱拱的穩(wěn)定性研究很少。本文以已建成的上?？祵幝肥曉邃捍髽?yàn)楸尘?，研究斜靠式鋼箱拱橋的穩(wěn)定承載力，同時(shí)進(jìn)行成橋靜動(dòng)載試驗(yàn)，驗(yàn)證大橋受力性能。

1 大橋設(shè)計(jì)概況

蕰藻浜大橋采用圖1（c）所示受力體系，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為城-A 級(jí)。大橋主孔跨徑145 m，矢高24 m（矢跨比≈1/6.0），橋梁滿足機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車和行人過河需求，橋面總寬度達(dá)到52.3 m。大橋采用斜靠式拱橋結(jié)構(gòu)，斜拱設(shè)計(jì)傾角為θ=19°，斜拱與主拱之間設(shè)置風(fēng)撐，兩片主拱間不設(shè)風(fēng)撐。

考慮河道通航要求，大橋采用“先拱后梁”的安裝方法，施工期間設(shè)置少量支架。大橋主體結(jié)構(gòu)采用便于預(yù)制安裝的鋼箱拱、鋼系梁和鋼-混凝土疊合橋面系。

拱肋及拱間橫撐：主、斜拱肋均采用全焊接鋼箱斷面，拱肋寬度與鋼系梁對(duì)應(yīng)；主拱與斜拱間設(shè)置4對(duì)橫撐，橫撐與拱肋采用焊接連接。

鋼系梁及橋面系：鋼系梁為單箱室鋼箱梁，對(duì)應(yīng)主拱和斜拱處設(shè)置；橋面系為鋼-混凝土疊合梁格體系，橫梁采用開口H 形焊接鋼梁，其上鋪設(shè)預(yù)制鋼筋混凝土橋面板。

吊桿及水平系桿：吊桿選用平行鋼絲拉索，主、斜吊桿布置在對(duì)應(yīng)拱肋所在面內(nèi)；水平系桿選用平行鋼絲冷鑄錨拉索，錨固在鋼系梁端部。

大橋總體布置如圖2、圖3 所示。

圖2 斜靠式鋼箱拱橋橫斷面圖（單位：mm）

圖3 斜靠式鋼箱拱橋立面圖（單位：mm）

2 穩(wěn)定承載力分析

2.1 有限元模型

建立有限元空間仿真模型：拱圈、系梁、橫梁、橫撐均采用空間梁?jiǎn)卧?，混凝土橋面板采用板單元，吊桿采用拉桿單元，同時(shí)輸入橋梁下部結(jié)構(gòu)模擬約束剛度。分析模型如圖4 所示。

圖4 有限元分析模型

2.2 荷載組合工況

主要計(jì)算分析見表1 所列六種荷載工況[5]對(duì)應(yīng)的大橋穩(wěn)定系數(shù)，其中重力荷載采用重力加速度場(chǎng)的方法施加，其它荷載換算成等效荷載施加在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處。

表1 荷載組合工況

2.3 分析結(jié)果

通過彈性屈曲穩(wěn)定分析，得到大橋的屈曲特征值和失穩(wěn)模態(tài)。從圖5、圖6 可見，大橋的屈曲模態(tài)前15 階均為拱肋面外失穩(wěn)，面內(nèi)失穩(wěn)出現(xiàn)在第16 階之后，說明大橋的面外剛度相對(duì)面內(nèi)剛度較小。圖5 中的失穩(wěn)模態(tài)為n 倍半波面外失穩(wěn)，拱頂、1/4L 處為拱肋的最大平面外變形位置，該處位移應(yīng)作為成橋監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)。

圖5 面外彈性屈曲模態(tài)（前15 階，特征值系數(shù)λ=4.9～16.0）

圖6 面內(nèi)彈性屈曲模態(tài)（第16 階之后，特征值系數(shù)λ＞16.7）

考慮幾何非線性，對(duì)大橋進(jìn)行非線性穩(wěn)定分析，其一階穩(wěn)定系數(shù)及其與彈性屈曲一階特征值系數(shù)的對(duì)比如表2 所列。從表2 可見：（1）大橋的彈性屈曲穩(wěn)定是以豎向荷載為控制荷載，汽車荷載全橋布置時(shí)（工況1、工況3）豎向力最大，其穩(wěn)定性最低；（2）在考慮幾何非線性因素時(shí)，由于結(jié)構(gòu)橫向剛度較低，對(duì)橫向風(fēng)載、活載偏載最為敏感，因此汽車偏載布置、考慮風(fēng)載時(shí)（工況4）穩(wěn)定性最差；（3）與彈性屈曲穩(wěn)定相比，在考慮幾何非線性后，大橋穩(wěn)定系數(shù)大約降低20%，降低幅度不是很大。

表2 穩(wěn)定系數(shù)表

3 成橋試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)內(nèi)容

通過成橋狀態(tài)試驗(yàn)，主要了解橋梁在設(shè)計(jì)使用荷載下的結(jié)構(gòu)性能，獲取結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力特性等特征參數(shù)。大橋靜、動(dòng)載試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置如表3 所列。

表3 成橋試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置一覽表

3.2 靜載試驗(yàn)

靜載試驗(yàn)結(jié)果分析主要包括變位（應(yīng)力）校驗(yàn)系數(shù)、相對(duì)殘余變位。

大橋靜載試驗(yàn)變位校驗(yàn)系數(shù)如表4 所列。結(jié)果表明：各測(cè)點(diǎn)撓度實(shí)測(cè)值均小于理論計(jì)算值，檢驗(yàn)系數(shù)在0.57～0.68 之間，滿足設(shè)計(jì)剛度要求。

表4 靜載試驗(yàn)變位校驗(yàn)系數(shù)表

大橋靜載試驗(yàn)相對(duì)殘余變位如表5 所列。結(jié)果表明：各測(cè)點(diǎn)相對(duì)殘余變位在4.8%～7.8%之間，大橋具備較好的彈性恢復(fù)能力。

表5 靜載試驗(yàn)相對(duì)殘余變位一覽表

3.3 動(dòng)載試驗(yàn)

該橋動(dòng)載試驗(yàn)應(yīng)變動(dòng)態(tài)增量μ 如表6 所列。結(jié)果表明：試驗(yàn)車輛以不同速度駛過平整橋面時(shí)引起的動(dòng)態(tài)增量為0.04～0.14，駛過模擬不平整橋面時(shí)引起的動(dòng)態(tài)增量為0.12～0.29；由于橋梁整體剛度較大，設(shè)計(jì)中動(dòng)載沖擊效應(yīng)較為明顯。

表6 動(dòng)載試驗(yàn)應(yīng)變動(dòng)態(tài)增量一覽表

4 結(jié)語

通過設(shè)置斜靠拱，并通過橫撐與主拱形成空間受力體系，可為拱橋提供足夠的橫向剛度，滿足設(shè)計(jì)要求。成橋靜動(dòng)力試驗(yàn)表明，靜載變位校驗(yàn)系數(shù)和相對(duì)殘余變位均反映大橋受力性能良好，同時(shí)動(dòng)載應(yīng)變動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)率可達(dá)到0.29，設(shè)計(jì)中動(dòng)載沖擊不可忽視。