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        某大跨度系桿拱橋的參數(shù)分析

        2021-04-08 02:05:46于訓(xùn)濤
        城市道橋與防洪 2021年3期
        關(guān)鍵詞:鏈線活載系桿

        于訓(xùn)濤

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

        0 引 言

        系桿拱橋起源于19 世紀(jì)末的歐洲,由拱肋、系桿、吊桿和橋面系等協(xié)同工作,拱的推力由系桿或系梁承受,不傳遞給墩臺,適用于地質(zhì)條件較差的情況。與其他橋型相比,系桿拱橋跨越能力較大,建筑高度小,美觀經(jīng)濟(jì),在城市中有廣泛的應(yīng)用。特別是當(dāng)跨越河道等需要橋梁跨度較大、梁部結(jié)構(gòu)建筑高度要求較小時, 采用該橋型具有獨(dú)特的優(yōu)勢[1]。

        本文針對某大跨度系桿拱橋,對系桿拱橋的內(nèi)傾角、拱軸線和矢跨比進(jìn)行參數(shù)分析,得?出相應(yīng)的結(jié)論,為后續(xù)相似工程橋梁選型與結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

        1 算例分析

        橋梁采用鋼拱鋼梁簡支系桿拱橋,跨徑布置為1×336 m,橋梁全長353.3 m。橋面寬度為40~47 m。拱矢跨比為1/5.5,矢高61 m,內(nèi)傾角度12°;拱肋采用六邊形鋼箱斷面,拱肋橫撐結(jié)構(gòu)采用一字撐。吊索采用平行吊索,主梁上標(biāo)準(zhǔn)間距為12 m。主梁采用雙邊箱鋼結(jié)構(gòu)箱梁,梁高3.2 m。下部結(jié)構(gòu)橋臺采用埋置式,臺帽厚度3.5 m,鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋梁總體布置和橫斷面見圖1、圖2。

        2 系桿拱橋參數(shù)分析和比較

        在進(jìn)行橋梁選型與結(jié)構(gòu)設(shè)計時,綜合考慮多種影響因素,做出合理的選擇。主橋總體設(shè)計過程中,對以下總體布置參數(shù)進(jìn)行了分析和比較。

        (1)拱肋布置

        系桿拱橋最常用的是橫向雙片拱肋布置。本工程橋梁寬度較寬,承擔(dān)公路交通、非機(jī)動車道及人行道,結(jié)合道路路幅布置,采用雙片拱,拱肋布置在非機(jī)動車道和人行道之間。

        從橋梁橫斷面上看,拱肋形態(tài)可以分為外傾拱、平行拱和內(nèi)傾拱(提籃拱)。外傾拱常用于中小跨徑橋梁,其造型新穎,景觀效果較好,但本工程橋梁跨徑336 m,為特大型橋梁,采用外傾拱會導(dǎo)致拱肋間橫撐跨度變大、尺寸變粗,反而不利于橋梁景觀。平行拱最為常見,但橋梁景觀效果一般。特大型橋梁拱肋穩(wěn)定問題突出,平行拱方案不利于拱肋面外穩(wěn)定。拱肋內(nèi)傾可大幅提高拱肋面外穩(wěn)定,而且內(nèi)傾后整個拱肋線形更為靈動,景觀效果也較好。因此,本工程拱肋推薦采用內(nèi)傾的提籃拱。

        本工程橋梁寬度為40~47 m,拱肋位于非機(jī)動車道和人行道之間,拱肋間機(jī)動車道和非機(jī)動車道寬度之和為30.5 m,考慮非機(jī)動車道和機(jī)動車道通行界限要求后,拱肋內(nèi)傾角度取8°、10°、12°三種情況進(jìn)行對比分析。

        表1 是不同拱肋內(nèi)傾角下,橋梁結(jié)構(gòu)的受力特性比較表,從表中可以看出,拱肋內(nèi)傾角對結(jié)構(gòu)靜力和動力特性影響不大,對拱肋的穩(wěn)定(尤其是面外穩(wěn)定)影響較大,主要原因是內(nèi)傾角度加大,拱肋橫撐長度變短,橫撐線剛度增強(qiáng),導(dǎo)致拱肋面外穩(wěn)定系數(shù)上升。

        由于隨著內(nèi)傾角度越大,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)逐漸減??;且從景觀角度看,拱肋內(nèi)傾角度越大,提籃拱造型越顯著、優(yōu)美。綜合考慮交通限界、拱肋布置等因素,本工程系桿拱橋拱肋內(nèi)傾角度取為12.0°。

        圖1 橋梁立面圖(單位:m)

        圖2 橋梁橫斷面圖(單位:m)

        表1 不同拱肋內(nèi)傾角下拱橋受力特性對比表

        (2)拱軸線

        拱軸線是拱橋總體設(shè)計中的重要參數(shù),直接關(guān)系到拱肋截面的內(nèi)力分布和大小。在鋼拱橋中,常用的拱軸線線形包括:二次拋物線、懸鏈線、多段曲線和多次拋物線等。

        設(shè)計時對比分析了多種拱軸線線形,圖3、圖4是拱肋矢跨比為1∶5.5 時,拱軸線型為二次拋物線、懸鏈線(m=1.167)和多段曲線三種情況下的彎矩圖(拱軸線為多次拋物線與二次拋物線計算結(jié)果相近,這里不予討論)。從圖中可以看出,活載作用下,三種拱軸線拱肋截面彎矩相差不大,均呈現(xiàn)1/4L 處拱肋截面彎矩大、拱腳和拱頂處截面彎矩較小的分布規(guī)律;活載最不利正負(fù)彎矩相差分別約為-50 000 和 59 000 kN·m,絕對值相差不大,最不利彎矩出現(xiàn)在主梁縱橋向半跨加載工況。

        圖3 活載作用下拱肋彎矩包絡(luò)圖(單位:kN·m)

        圖4 恒載作用下拱肋彎矩圖(單位:kN·m)

        恒載作用下,三種拱軸線拱肋截面彎矩分布相差較大(見表2):二次拋物線拱軸線近1/8L 處截面彎矩較大(25 130 kN·m),其余拱肋截面彎矩分布較為均勻;多段曲線拱軸線截面彎矩分布較為均勻(最大恒載彎矩為15 700 kN·m);懸鏈線拱軸線截面近1/4L 處截面彎矩較小,拱頂處截面彎矩較大(16 827 kN·m)。

        表2 不同拱軸線拱肋最不利斷面應(yīng)力對比表

        多段曲線方案拱肋截面恒載彎矩分布相對較為均勻,且最大恒載彎矩最低。最不利斷面應(yīng)力對比對比發(fā)現(xiàn),考慮活載作用后,1/4L 拱肋截面成為控制截面,懸鏈線方案拱肋截面在標(biāo)準(zhǔn)組合下的最不利應(yīng)力反而比另外兩種方案低7~8 MPa。因此,本工程選用懸鏈線為推薦拱軸線形。

        (3)矢跨比

        矢跨比是拱橋的一個特征數(shù)據(jù),不但影響拱圈的內(nèi)力,也關(guān)系到拱橋的外形能否與周圍景物相協(xié)調(diào)。

        對于系桿拱橋,拱肋矢跨比過小將導(dǎo)致系梁承受水平分力過大,系梁(主梁)較大的水平伸長變形將導(dǎo)致主拱產(chǎn)生較大的彎矩,因此矢跨比不宜過?。涣硪环矫?,拱肋矢跨比過大不利于安裝施工,也影響橋梁的景觀造型,受力上也無必要,因此矢跨比不宜過大。

        本工程對拱肋矢跨比分別取1/5(矢高為67 m)、1/5.5(矢高為 61 m)、1/6(矢高為 56 m)三種情況進(jìn)行比較分析。

        從圖5 可以看出,矢跨比從1/6 增加到1/5,主梁截面應(yīng)力的變化相對較大,其中控制截面(1/4L 截面)的恒載應(yīng)力減小15.0 MPa,拱肋控制截面(1/4L截面)恒載應(yīng)力減小12.9 MPa;矢跨比的改變對主梁和拱肋的活載效應(yīng)影響不大,應(yīng)力改善幅度在2 MPa以內(nèi)。

        表3 是不同矢跨比下,橋梁的剛度、穩(wěn)定、動力特性及拱肋用鋼量,從表3 中可以看出:拱肋矢跨比越小,拱肋結(jié)構(gòu)的線抗彎剛度越大,橋梁結(jié)構(gòu)活載撓度越低(活載最不利位移工況為半跨加載,拱肋的抗彎剛度影響較大);拱肋第一階失穩(wěn)模態(tài)為面外失穩(wěn),隨著矢跨比的降低,拱肋面外穩(wěn)定安全系數(shù)下降。原因有兩方面:一是矢跨比降低導(dǎo)致拱肋軸壓力加大,另一方面由于拱肋內(nèi)傾角度不變,矢跨比降低導(dǎo)致拱肋橫撐加長,橫撐線剛度降低,進(jìn)而導(dǎo)致拱肋面外穩(wěn)定安全系數(shù)下降;矢跨比的改變對橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性影響有限。

        圖5 不同矢跨比下拱肋關(guān)鍵截面上、下緣應(yīng)力圖

        表3 不同矢跨比下拱橋受力特性對比表

        綜合考慮結(jié)構(gòu)受力、橋梁景觀和拱肋施工難度等因素,本工程推薦拱肋矢跨比f/L=1/5.5。

        3 結(jié) 論

        本文以某大跨度系桿拱橋為研究對象,對內(nèi)傾角、拱軸線和矢跨比進(jìn)行參數(shù)分析,選取合適的拱軸線布置和矢跨比,滿足了結(jié)構(gòu)安全可靠、受力合理的設(shè)計原則。

        (1)拱肋內(nèi)傾角對結(jié)構(gòu)靜力和動力特性影響不大,對拱肋的面外穩(wěn)定影響較大,拱肋內(nèi)傾角度加大,拱肋橫撐長度變短,橫撐線剛度增強(qiáng),可以增大拱肋面外穩(wěn)定安全系數(shù)。

        (2)考慮活載作用后,1/4L 拱肋截面為拱肋控制截面,懸鏈線方案拱肋截面受力最好。

        (3)隨著矢跨比的降低,拱肋面外穩(wěn)定安全系數(shù)下降;矢跨比的改變對主梁和拱肋的活載效應(yīng)影響不大。

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