冯希训;徐利平;张丛
【摘 要】将大跨度中承式拱桥的结构体系归结为有推力单拱体系、自平衡连拱体系、自平衡刚构式连拱体系、刚构与下承式拱组合体系、具有梁桥支承体系的连拱结构等5种结构体系,并分析了这5种结构体系的受力、传力规律.结合已建实际工程案例,总结了各体系总体设置参数及构造形式.
【期刊名称】《城市道桥与防洪》
【年(卷),期】2013(000)007
【总页数】4页(P69-72)
【关键词】大跨度;中承式拱桥;结构体系
【作 者】冯希训;徐利平;张丛
【作者单位】天津市市政工程设计研究院,天津市300051;同济大学建筑设计研究院,上海市200092;天津市市政工程设计研究院,天津市300051
【正文语种】中 文
【中图分类】U448.22
0 引言
在目前的大跨度桥梁设计中,中承式拱桥是优先考虑的桥型之一。它具有优越的力学特点和广泛的适用场合。许多拱桥为避免两岸桥台及基础的水中施工困难和拱肋防撞问题,起拱线设于常水位或低水位之上,在一定的跨径和矢跨比条件下,拱的矢高远大于起拱线与桥面标高间的距离,就无法采用上承式,而多采用中承式。
海诺·嗯戈尔将结构体系定义为:“结构内部荷载的传递方式以及为保持结构内部平衡而形成的内力状态”。针对中承式拱桥,一般而言其传力方式为:桥面荷载直接作用在桥面上,对于以拱为主要承重构件的结构体系,桥道系把作用力通过吊杆和立柱传递到主拱肋上,主拱肋又把这些作用力传递到拱座和地基,形成传力主从结构;对于以梁为主或拱梁共同承重的结构体系,还有一部分桥面荷载由系梁来承受。但是,随拱、梁间结合方式不同,最终又表现出不同的受力状态。
目前文献关于中承式拱桥受力特性的研究,主要集中在某座具体拱桥或者拱肋、横撑、吊杆、主梁等某个具体构件上,缺乏对中承式拱桥结构体系的系统分类和研究。本文将大跨度中承式拱桥的结构体系分为5种,即有推力单拱体系、自平衡连拱体系、自平衡刚构式连拱体系、刚构与下承式拱组合体系、具有梁桥支承体系的连拱结构,旨在分析这5种结构体系的受力、传力规律,并结合已建实际工程案例,总结各体系总体设计参数及构造形式,供类似设计参考。
1 大跨度中承式拱桥结构体系
通过对已建大跨度中承式拱桥的构造形式、受力特点进行对比研究,现将中承式拱桥结构体系分为以下5种。
1.1 有推力单拱体系
单拱体系即一孔跨越河流、山谷等障碍的单孔拱桥体系,主拱圈是主要承重构件,承受桥上全部荷载,并通过其拱脚传给墩台与基础。单拱体系拱桥按照主拱的静力特点又可分为三铰拱、两铰拱和无铰拱,而单跨中承式拱桥多采用有推力的无铰拱体系。无铰拱属外部三次超静定结构,在自重及外荷载作用下,拱内弯矩分布均匀,材料用量省。但是,由于其超静定次数高,温度变化、材料收缩徐变、结构变形、墩台位移均会在拱内产生较大附加力,所以无铰拱一般建造在地基良好的条件下。但是,附加内力的影响会随着跨径增大而相对减小,故无铰拱仍是大跨度桥梁采用较多的一种构造形式,特别适用于能一跨跨越河流、山谷的西部山区地带,如图1所示。广西邕宁邕江大桥、四川宜宾南门金沙江大桥、重庆巫山巫峡长江大桥即采用该种体系。其总体设计参数、构造形式见表1。
1.2 自平衡连拱体系
“连拱”即连续的多孔拱桥,当支承在有限刚度桥墩上时,某一孔受到活载作用,其拱脚连同桥墩墩顶将一同发生位移和转角,引发连拱效应;“自平衡”即在两边拱端部张拉系杆,以平衡恒载作用下中墩基础的水平推力,因此中墩基础只承受温度荷载、活载等产生的水平推力,能适应软土地基地质条件。
采用自平衡连拱体系的较大跨度中承式拱桥多配合无主梁的“横梁+桥面板”桥道系形式,通常将较大跨一孔的矢跨比做大以减小大跨的水平推力,并通过边拱来平衡主拱产生的水平推力,亦常在两边跨端部横梁之间设置柔性系杆来平衡恒载作用下连拱剩余的水平推力(见图2)。广州丫髻沙大桥、武汉市江汉五桥、南昌生米大桥即采用自平衡连拱体系,其总体设计参数、构造形式见表2。
图1 单跨无铰拱体系
表1 已建有推力单拱体系大跨度中承式拱桥总体设计参数及构造形式重庆巫山长江大桥竣工年份 1990年7月 1996年8月 2005年1月跨径/m 243.4 312.0 460.0矢高/m 48.0 52.0 121.1矢跨比 1/5 1/6 1/3.8拱轴线形 m=1.756悬链线桥 名 四川宜宾南门金沙江大桥广西邕宁邕江大桥m=1.55悬链线拱肋截面 钢骨混凝土箱形m=1.347悬链线四管桁式钢管混凝土拱边界 无铰拱 无铰拱 无铰拱钢骨混凝土箱形桥面系PC横梁+PC空心板+RC连续桥面PC横梁+RC空心板(先简支后连续)鱼腹式吊杆横梁+∏形桥面梁(先简支后连续)。
图2 自平衡连拱体系
表2 已建自平衡连拱体系大跨度中承式拱桥设计参数及构造形式60.5+251+60.5(0.24∶1∶0.24)桥 名 广州丫髻沙大桥 武汉市江汉五桥 南昌生米大桥竣工年份 2000年 2001年 2006年跨径/m 76+360+76(0.21∶1∶0.21)75+228+228+75(0.33∶1∶0.33)矢高/m 76.5 50.2 50.7主拱矢跨比 1/4.5 1/5 1/4.5拱轴线形 主、边拱均为m=2悬链线主拱为 m=1.5、边拱m=1.9悬链线主拱二次抛物线,边拱m=1.8
悬链线拱肋截面主拱:六管桁式钢管混凝土拱肋截面;边拱:RC箱梁主拱:桥面以上四管桁式钢管混凝土拱肋,桥面以下钢管混凝土实腹结构;边拱:RC矩形截面主拱:桥面以上四管桁架式钢管混凝土拱肋,桥面以下钢筋混凝土拱肋;边拱:为现浇预应力混凝土拱肋拱边界边、主跨拱脚固结于拱座;边跨端部设盆式橡胶支座边、主跨拱脚固结于拱座;边跨端部支承于边墩横梁并竖向锚固(抗拔)拱肋钢混凝土结合段采用锚固螺栓与预应力筋结合的方式连接,在3个主墩处固结于拱座;边拱肋端部支承于桥墩桥面系形式工字形钢横梁+H形钢纵梁+预制混凝土Π形桥面板钢箱横梁+RC行车道板预制工字形预应力横梁+槽形桥面板桥面系与拱肋连接方式钢横梁和拱肋立柱间设双向活动抗震球形支座(释放弯矩和温度力)行车道板支承于横梁上,漂浮体系桥面板在与拱交接处支撑在肋间横梁上并设伸缩缝系杆 通长系杆 通长系杆通长系杆+三角区体外预应力系杆。
1.3 自平衡刚构式连拱体系
边跨主梁与边拱肋、桥面以下主拱肋、拱上立柱组成刚性三角区,主梁为承受轴向压力与竖向弯曲的压弯构件;桥面以上主拱肋与三角刚构在拱、梁处固结成为一体;中跨系梁通过竖吊杆悬吊在主拱圈上,可通过牛腿与边跨形成简支挂孔结构,也可在与主拱及中横梁相交处设置支座、伸缩缝及阻尼器,成为一个独立的漂浮体系,无轴向压力,只承受竖向弯曲;在两边跨端横梁间张拉水平拉索,相当于系梁的体外索,通过张拉桥面预应力索,可使中墩基础的水平反力在恒载作用下趋于0,只承受温度、车辆等活载产生的水平推力,如图3所示。上海卢浦大桥即采用该种结构体系,其总体设计参数、构造形式见表3。
图3 自平衡刚构式连拱体系
1.4 刚构与下承式拱组合体系
与刚构挂孔体系类似,边跨主梁与边拱肋、桥面以下主拱肋组成刚性三角区,根据边主梁的承载情况确定是否设置拱上立柱,边跨“刚构”相对于拱座,具有强大的刚度,为主跨中间钢拱肋提供延性支撑,减小主拱跨度;桥面以上主拱肋与三角刚构在拱、梁处固结成为一体或通过牛腿支承在两边刚性三角区上。
不同之处为,通过张拉中跨间系杆平衡主拱的水平推力,桥面以上主拱肋与中跨主梁形成下承式系杆拱桥;而边跨系杆一部分用于平衡主拱的水平推力,另外一部分作为三角刚构的体外预应力平衡作用在前悬臂上的集中作用力,如图4所示。重庆菜园坝长江大桥、广州新光大桥即为此种体系,其总体设计参数、构造形式见表3。
图4 刚构与下承式拱组合体系
表3 已建刚构体系大跨中承式拱桥设计参数及构造形式比较项目 上海卢浦大桥 广州新光大桥 重庆菜园坝大桥结构体系 刚构拱+吊孔半漂浮主梁 三角形刚构+三孔下承式钢箱桁系杆拱 Y形刚构+下承式提篮钢箱系杆拱修建年份 2000年10月至2003年6月 2004年1月至2007年1月 2003年2月至2007年10月拱肋主拱轴线采用二次抛物线,内倾角为10.67°呈提篮形主拱矢跨比 1/5.5(矢高100 m) 1/4(矢高104 m) 1/4.2(矢高100 m)截面 陀螺形钢箱 钢箱桁式+(预)混凝土三角刚构 钢箱+预应力混凝土Y形刚构跨径/m 100+550+100 177+428+177 102+420+102拱轴线形 边拱二次抛物线;中拱1.5次抛物线,对倾1∶5呈提篮形边拱三次抛物线;中拱m=1.2悬链线,平行拱肋边界条件中拱两拱脚固结于拱座;边拱内侧拱脚固结于拱座,端部支承于边墩(可水平滑动)中
拱两端与刚构固结;边拱中部与刚构固结、端部球铰支承于墩;三角刚构固结于承台中拱两端与刚构前悬臂固结;Y形刚构端、中部与墩固结桥宽/m 29.8 37.62 上层30.5,下层23。主梁截面形式正交异性桥面板全焊钢箱梁:边跨闭口钢箱,中跨开口钢箱(双主梁+横梁)主跨:2根主纵梁+7根次纵梁 +横梁构成纵横钢梁格,上铺混凝土桥面板;边跨:预应力混凝土系梁+预应力混凝土横梁+钢筋预制混凝土次纵梁构成纵横梁格,上铺混凝土桥面板正交异性钢桥面板与钢桁架梁组合截面边界条件边跨拱梁固结(刚性三角区);中跨两端支承于拱肋横梁并设纵横阻尼限位装置(漂浮体系)边跨拱梁固结(下承系杆拱);中跨:吊杆支承钢横梁+三角刚架处钢横梁下设球形支座、端部设毛勒式伸缩缝与纵梁构成格子梁(半漂浮体系)主梁通过盆式橡胶支座支承于边、侧墩顶横梁上;通过吊索弹性支撑于Y形刚构前次横梁上系杆张拉形式 通长系杆 各跨单设系杆(中跨柔性、边跨刚性)分段柔性系杆张拉位置 系梁内部,张拉于两边跨端横梁间 中跨柔性系杆位于桥面板上方吊杆两侧分三段张拉于Y形刚构之间,位于上层桥面下方外侧横撑 桥面以上27道“一”字形风撑,间距13.5 m;桥面下4道“K”形风撑。 主拱7组,边拱2组,桁架式横撑 6道“一”字形横撑吊杆布置 28对,间距13.5 m,双吊杆,与拱肋共面 边拱间距8 m,中跨间距12 m 19对,间距16 m锚固 上端与拱圈用锚箱形式锚固,下端与系梁铰结上端锚于拱箱横隔板上,下端锚于桁架横梁上立柱 布置 一侧4×2根;钢箱形,主墩大立柱5 m×5 m,其它小立柱5 m×2.5 m 无(桥面以下为三角刚构) 无(桥面以下为Y形刚构)拱座 主拱座上钢下混凝土的钢混凝土结合拱座,边拱不设拱座支承于边墩边拱肋端部渐变为箱形截面,内有焊钉、钢筋并填混凝土,与边跨预应力混凝土系杆连接成整体;中拱肋上下弦杆插入三角刚构斜脚内,内填混凝土并设预应力粗钢筋和普通钢筋无拱座,中钢箱拱肋与Y形刚构固结施工方法三角区拱、梁用支架、悬臂法;中拱斜拉扣索法;中跨桥面采用悬索桥桥面加劲梁法大节段工地拼装+提升塔整体提升就位(边拱各1段,中拱3段)支架浇注Y形刚构并张拉预应力束,安装边、侧跨桁架梁并张平部
分边跨系杆;缆索+扣索分段吊装主拱圈,合龙后吊装主桁架梁;安装中跨系杆索,并调整边中跨索力
1.5 具有梁桥支承体系的连拱结构
主梁分别在与边拱肋、主拱肋交汇处固结,另外通过立柱、吊杆与拱肋相连,做成拱梁固结体系。在构造上可以处理成完全无水平多余约束或在成桥后才形成多余约束两种方式。因此,即使有水平多余约束也在桥梁建成后起作用,而大部分永久荷载并不引起水平推力。从结构内部受力情况来看,荷载在拱与梁中产生的内力大部分转变为它们之间所形成的自平衡体系的相互作用力;拱的水平推力与梁的轴向拉力相互作用,拱与梁截面的总弯矩等效为主要由拱受压、梁受拉的受力形式,剪力则主要成为拱压力的竖向分力,如图5所示。该体系用于刚度要求较高的大跨度桥梁时,常见于中承式连续钢桁架拱桥,如刚建成的重庆朝天门长江大桥、南京大胜关长江大桥,其总体设计参数、构造形式见表4。
图5 具有连续梁桥支承体系的连拱结构
表4 已建具有梁桥支承体系的连拱结构大跨中承式拱桥设计参数及构造形式比较项目 重庆朝天门大桥南京大胜关长江大桥结构体系 连续钢桁系杆拱桥 六跨连续钢桁拱桥建成年份 2004年12月至2009年4月 2006年9月至2011年1月跨径/m 190+552+190拱肋108+192+336+336+192+108拱轴线形 中跨下弦二次抛物线,上弦中间部分二次抛物线+与边跨过渡处圆曲线矢跨比 下弦矢跨比1/4.312 5(矢高128m) 中跨矢跨比1/4(矢高84m);边跨高跨比1/6.75与 1/12(桁高 16m)截面 “N”形钢桁式(弦、腹杆箱形截面) “N”形桁式,三片钢桁边界条件拱脚下设支座,纵向:江北中支点固定
铰支座,其余各墩活动铰支座;横向:中支点固定支座,边支点横向活动支座且其横梁下方设两个横向限位支座。最大承载力达14 500 t拱脚下设球型钢支座,最大承重达18 000 t桥宽/m 上桥面36.5 m,下桥面29 m 40.4 m主梁截面形式上下平行弦系杆+竖杆+桥面板:上层桥面(6道纵梁)和下层桥面两侧(2道纵梁)(主桁节点处设横梁)采用正交异性钢桥面板;下层桥面中间设两道轻轨纵梁以箱形下弦杆为边箱的分离式箱梁:主桁节点设大横梁、节间设3个小横梁;每幅桥设4根小纵梁;正交异性钢桥面板边界条件 拱梁固结 拱梁固结张拉形式 上下两层钢性系杆钢性系杆系杆系拉位置上层系杆焊接“H”形截面,不贯通主桁仅与拱肋下弦相连;下层系杆焊接“王”形截面(与加劲腿中弦、边跨下弦贯通)+每桁 5束辅助系索(锚于系杆端节点)横撑 菱形、K形桁式平纵联+桁架式横联 桁架式纵向、横向“X”连结系布置双吊杆吊杆钢性吊杆锚固 锚于下弦杆 锚于下弦杆立柱 布置 主桁拱竖腹杆 主桁拱竖腹杆拱座 无 无施工方法 边跨采用膺架结合临时墩的伸臂法架设;中跨采用两侧对称全伸臂辅以吊索塔架的施工方法架梁吊机悬臂拼装+塔架斜拉索辅助,施工顺序:先平弦再拱桁,先边跨合龙再中跨合龙,先拱桁合龙再系梁合龙
2 结语
本文将大跨度中承式拱桥的结构体系归结为有推力单拱体系、自平衡连拱体系、自平衡刚构式连拱体系、刚构与下承式拱组合体系、具有梁桥支承体系的连拱结构等5种结构体系,并分析了这5种结构体系的受力、传力规律。结合已建实际工程案例,总结了各体系总体设置参数及构造形式。通过本文,希望可以加强对中承式拱桥结构体系更高层面上的认识,了解中承式拱桥不同结构体系的力学特性,亦可为大跨度中承式拱桥设计提供参考。
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