向桂兵,謝肖禮

(1.廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007; 2.廣西大學土木建筑工程學院,廣西 南寧 530004)

0 引言

拱橋作為一種歷久彌新的橋型結構,以其造價經濟合理、跨越能力強、就地取材、結構耐久、外形美觀等優(yōu)勢,成為建筑歷史悠久、競爭力較強且不斷創(chuàng)新發(fā)展的橋梁結構體系[1]。其中上承式拱橋整體剛度大、跨越能力強,可適用于各種地理環(huán)境,施工工藝成熟,成為高速鐵路橋梁跨越山谷、河流的常用橋型,尤其是在中國西部地區(qū)[2]。隨著橋梁跨徑和荷載的不斷增大,傳統(tǒng)上承式拱橋存在的問題變得突出[3]。傳統(tǒng)上承式拱橋若采用全鋼結構不僅耗鋼量大且隨跨徑增大力學性能不能滿足要求,若采用鋼-混組合結構不僅混凝土用量大且施工周期長[4]。

目前針對傳統(tǒng)上承式拱橋進行結構體系創(chuàng)新的研究較少,當鐵路橋梁跨徑增大時,采用現有上承式鐵路拱橋的結構形式已不經濟,且其力學性能難以得到保證,需具有更優(yōu)力學性能的橋梁來滿足鐵路活荷載作用的要求。

1 新型上承式拱橋體系

1.1 新型上承式拱橋體系的提出背景

傳統(tǒng)上承式拱橋立柱與主梁、拱肋構成了連續(xù)的四邊形結構,隨著跨度及荷載的不斷增加,易產生剪切和彎曲變形,從而導致其力學性能(剛度、動力、穩(wěn)定、強度承載力、抗疲勞能)快速下降。從傳統(tǒng)上承式拱橋設計理念和構件思路上看,恒荷載作用下,通過選取合理的拱軸線,使拱肋處于小偏心受壓狀態(tài),充分發(fā)揮拱結構自身的消彎特點和優(yōu)勢;通過增加截面面積、材料用量等低效率的手段來抵抗移動荷載產生的效應。在橋梁跨徑較小、活荷載較小、活荷載效應不十分突出時,傳統(tǒng)上承式拱橋結構形式在組合荷載作用下仍較合理,拱肋各截面應力水平通常也能保持較平均。此時,傳統(tǒng)上承式拱橋建造成本尚可接受,力學性能也能滿足使用需求[5]。但隨著橋梁跨度的增加,或活荷載為重載、高速列車活荷載時,活荷載的效應變得十分突出,傳統(tǒng)上承式拱橋結構為了滿足行車需求所付出的代價十分大,以至于更大跨徑拱橋難以突破,限制了其適用范圍[6]。

1.2 新型上承式拱橋體系

為解決傳統(tǒng)上承式拱橋的弊端,謝肖禮等[7]利用三角形原理改善拱梁固結拱橋的動力特性,使其與拱肋和主梁構成若干個三角形結構,從而對主梁與拱肋進行有效約束,提高結構的整體剛度;隨后謝肖禮等[8]在拱肋與主梁間增設V桿用于拱橋加固,證實了該加固改造方法積極有效。該新型上承式拱橋如圖1所示,保證主梁與拱肋有一定空間距離,待上承式拱橋按傳統(tǒng)上承式拱橋一期成橋后,將橋面和拱肋視為上、下弦桿,在兩者中間插入適量的斜腹桿形成連續(xù)桁架結構。

圖1 新型上承式拱橋橋型布置Fig.1 Layout of new deck arch bridge

1.3 新型上承式拱橋與傳統(tǒng)拱橋的不同之處

1)在傳統(tǒng)上承式拱橋局部連續(xù)的四邊形結構中加入連續(xù)且穩(wěn)定的三角形結構,實現了拱橋局部結構由四邊形到三角形的轉變。

2)新型上承式拱橋桁高較高,自身豎向剛度(面內剛度)較大,因此可選擇較小的矢跨比進行設計,克服了傳統(tǒng)拱橋豎向力學指標與面外力學指標此消彼長的矛盾。

3)新型拱橋構建思路與傳統(tǒng)上承式桁架拱橋完全不同。傳統(tǒng)上承式桁架拱有普通桁架拱和桁式組合拱2種,其中普通上承式桁架橋為鋼筋混凝土拱片結構,拱片間通過一定的橫向聯系連接,結構整體性較差,橫聯易出現開裂失效,且一體化形成的桁片結構要承擔所有荷載,節(jié)點和腹桿易受較大的拉壓應力,鋼筋混凝土節(jié)點極易出現開裂。上承式桁式組合拱橋多為預應力鋼筋混凝土結構,同樣以桁式結構承擔所有荷載,沒有充分發(fā)揮拱結構恒荷載作用下“線消彎”的優(yōu)勢,節(jié)點和腹桿易受較大的拉壓應力,導致鋼筋混凝土節(jié)點出現開裂;且結構使用中會出現較明顯的預應力筋松弛,從而導致拱頂下撓、下緣開裂和腹桿開裂等病害[9]。而新型上承式拱橋是鋼結構肋拱橋,兩肋間通過強大的橫向聯系與分載設計的方法,充分發(fā)揮拱結構恒荷載作用下“線消彎”的優(yōu)勢,且剛性斜桿僅主要承擔二期恒荷載和活荷載,其拉壓應力均較小,既不易發(fā)生壓桿失穩(wěn),其連接處節(jié)點應力也不會太大。

4)相較于傳統(tǒng)上承式桁架拱而言,新型結構所增設的V形構件按傳統(tǒng)方式一期成橋后施工,傳統(tǒng)拱橋可作為安裝V形構件的平臺。增加的腹桿提高了全橋豎向剛度,因此可優(yōu)化全橋其他構件的用鋼量,即新型結構總用鋼量是可控的。

2 新型上承式拱橋強度分析

2.1 桁架結構消彎原理

新型上承式拱橋的二期恒荷載和移動荷載由主梁為上弦桿、拱圈為下弦桿、V形構件為腹桿并帶多點彈性約束的變高桁架結構來承擔,其受力如圖2所示。

圖2 新型上承式拱橋傳力路徑Fig.2 Force transmission path of the new deck arch bridge

新型上承式拱橋在二期恒荷載及移動荷載作用下的受力如圖3所示。由圖3可知,二期恒荷載及移動荷載作用產生的彎矩由桁架上弦桿(主梁)及下弦桿(拱圈)產生的力偶抵抗,軸力由桁架上弦桿(主梁)及下弦桿(拱圈)一起承擔,剪力主要通過桁架腹桿(V形構件)的軸向拉壓變形傳遞至兩側橋臺,整個桁架結構因腹桿(V形構件)的存在而主要發(fā)生軸向變形。

圖3 新型上承式拱橋受力示意Fig.3 Force of the new deck arch bridge

新型上承式拱橋雖增加了V形構件,但整個結構僅以單一變形——軸向變形為主,而傳統(tǒng)承式拱橋則同時存在彎曲、剪切和軸向3種變形,從變形上看,新型上承式拱橋較傳統(tǒng)上承式拱橋更簡單,傳力路徑也相對明確,可見采用桁架結構消彎優(yōu)越性顯著。

2.2 結構計算與受力分析

以計算跨徑為500m、矢跨比為1/4.5的新型上承式拱橋為算例,進行有限元分析,與相同計算跨徑的傳統(tǒng)上承式拱橋對比。模型的具體設計參數為:主梁采用箱形鋼梁截面,主梁頂板厚2.8cm,寬24m;底板厚2.4cm,寬18m;腹板厚1.6cm,高2m;主梁總高為2.052m;全橋采用Q345鋼材進行建造。立柱的長、寬均為1.8m,壁厚1.6cm。立柱面內每邊布置2片橫截面為25cm×1cm的加勁肋,間距為60cm。兩橫橋向立柱間采用“K”字形橫聯進行連接。V形構件橫截面長2.5m,寬2m,厚1.4cm。拱肋采用變截面的箱形結構進行建造,拱腳處長14m,寬6m,該橫截面的頂、底板厚度均為3.5cm,兩腹板厚度為2cm;拱頂處的橫截面長8m,寬6m,頂、底板厚3.1cm,腹板厚2cm。兩拱肋間采用“K”字形橫聯進行連接,兩“K”字形間間距均為20m。新型上承式拱橋拱肋采用懸鏈線形,其中拱軸系數m=3.0。

采用MIDAS Civil軟件建立新型上承式拱橋與傳統(tǒng)上承式拱橋有限元模型,如圖4所示。所建造的模型單元總數為592,節(jié)點數為418。梁單元間采用剛性連接的邊界條件;主梁與立柱、V構件間采用彈性連接的邊界條件;主梁兩端采用剛性連接,拱腳采用無鉸形式與拱座連接。

圖4 有限元模型Fig.4 Finite element model

2.2.1拱腳推力

拱腳推力對主要受軸向壓力的拱肋來說是有利的,但對拱座不利。為研究如何減小拱座的推力,分別計算在2種工況作用下,新型上承式拱橋及傳統(tǒng)上承式拱橋的水平推力,計算結果如表1所示。

表1 各工況下拱腳水平推力Table 1 Horizontal thrust of arch foot under various working conditions kN

由表1可知,在自重作用下,新型上承式拱橋由于V形構件的存在,水平推力相對較大;然而在自重及活荷載作用下,新型上承式拱橋的水平推力較傳統(tǒng)上承式拱橋減小2.61%。這是由于在活荷載作用下桁架體系起到承擔受力的效果,因此該橋的拱腳水平推力較傳統(tǒng)上承式拱橋小。

2.2.2主梁內力

在活荷載作用下,主梁產生的內力也是需要考慮的重要參數之一?；詈奢d作用下的主梁內力如表2所示。由表2可知,在活荷載作用下,新型上承式拱橋的主梁內力較傳統(tǒng)上承式拱橋減小25.9%。

表2 活荷載作用下主梁內力Table 2 Internal force of the main girder under live load

2.2.3拱肋應力

拱橋的拱肋以受壓為主,各工況下拱肋應力如表3所示。由表3可知,在2種不同工況下,新型上承式拱橋拱肋最大應力較傳統(tǒng)上承式拱橋拱肋最大應力分別減少15.8%和38.3%。

表3 自重、自重加活荷載狀態(tài)下拱肋應力Table 3 Stresses in arch ribs under self-weight, self-weight plus live-load conditions

3 新型上承式拱橋剛度分析

剛度是指材料或結構在受力時抵抗彈性變形的能力,是材料或結構彈性變形難易程度的表征。對于傳統(tǒng)上承式拱橋而言,增加拱肋和主梁截面對結構整體剛度改變并不明顯,且可能導致結構自重大幅增加[10],因此,從改變結構形式上提高結構的剛度更有效。新型上承式拱橋在拱肋與主梁間增加V形構件,使拱肋、主梁形成了帶多點彈性約束的桁架結構,以此來增加結構整體剛度。

為進一步了解新型上承式拱橋力學性能,本節(jié)對其就剛度而言的最優(yōu)矢跨比及其在不同矢跨比下的變化規(guī)律進行研究。計算矢跨比分別為 1/4.5, 1/5,1/5.5,1/6,1/6.5的新型上承式拱橋的剛度,并與同矢跨比的傳統(tǒng)上承式拱橋進行對比,為方便對比采用控制參數變量的方法進行分析。矢跨比為1/6.5時,2種橋型下撓度位移包絡圖如圖5所示。拱橋撓度隨矢跨比變化規(guī)律如圖6所示。

圖5 矢跨比1/6.5主梁下撓位移包絡圖(單位:mm)Fig.5 Under-deflection displacement envelope of main girder with sagittal span ratio 1/6.5(unit:mm)

圖6 新型上承式拱橋和對比上承式拱橋撓度隨矢跨比變化Fig.6 Deflection of new deck arch bridge and contrast deck arch bridge with sagittal ratio

由圖6可知,新型上承式拱橋豎向剛度遠遠大于傳統(tǒng)上承式拱橋,不同矢跨比下,新型上承式拱橋主梁撓度均較傳統(tǒng)上承式拱橋減小45%以上。隨著矢跨比由1/4變化到1/6.5,新型上承式拱橋豎向剛度變化規(guī)律與上承式拱橋基本相同,只是變化的幅度稍有不同。對于新型上承式拱橋結構豎向剛度而言,矢跨比為1/4.5～1/5,拱橋主梁下撓最小,而在荷載組合1作用下1/4跨處主梁上下撓度(絕對值)之和也較小,因此矢跨比1/4.5～1/5為最優(yōu)矢跨比取值范圍。

4 施工技術研究

傳統(tǒng)上承式拱橋的恒荷載和活荷載均由拱肋承擔,通過選擇合理拱軸線可達到在恒荷載作用下拱肋成為小偏心受壓構件的目的,但在活荷載作用下拱肋往往伴隨著明顯的彎剪變形,導致力學性能下降,因此在施工過程中須保證拱肋結構安全[11-12]。

為解決該問題,新型上承式拱橋采用的主要施工流程如下: 新型拱橋依照傳統(tǒng)拱橋體系成橋后,適時加入V形構件完成體系轉換,然后再上二期恒荷載,最終成橋。新型上承式拱橋體系轉換如圖7所示,從受力上來看,新型上承式拱橋的一期恒荷載(拱肋、立柱及主梁的自重)由拱肋承擔,其二期恒荷載和活荷載則由主梁為上弦桿、拱肋為下弦桿、V形構件為腹桿并帶多點彈性約束的變高桁架結構來承擔,這實現了拱和桁架分階段工作的目的,充分發(fā)揮了拱結構對恒荷載“自然消彎”和桁架結構剛度大的優(yōu)越性。此外,由于新型結構以桁式結構來承擔移動荷載,且新型結構的桁高較大,顯著增大了結構的消彎能力,拱橋的蹺蹺板效應會極大地減弱甚至消失,其他力學性能亦隨之改善。

圖7 新型上承式拱橋體系轉換示意Fig.7 The conversion of the new top-bearing arch bridge system

新型上承式拱橋采用分載施工的理念進行施工。結構新體系在傳統(tǒng)上承式拱橋結構形成后進行拱結構到桁架結構的體系轉換,即讓拱結構來承擔大部分一期恒荷載,二期恒荷載及活荷載主要由加入剛性斜桿后形成的桁架結構承擔,以減輕拱肋的負擔。

5 結語

1)介紹了一種新型拱橋結構體系,其構建的思路是:保留拱結構的優(yōu)越性,即選擇合理的拱軸線使拱肋在恒荷載作用下為小偏心受壓構件,而活荷載則改為由桁架結構承擔。具體做法是:依照傳統(tǒng)拱橋體系成橋后(二期鋪裝前),以此結構來承擔大多數恒荷載;之后,再在拱肋與主梁之間增加V形構件,其與拱肋、主梁形成了帶多點彈性約束的大桁架結構,以此結構來抵御活荷載。

2)V形構件與拱肋及主梁節(jié)段所形成的整體桁架結構不僅參與抵抗活荷載及其他荷載,達到減少結構在移動荷載下變形的目的,同時還可參與抵抗部分恒荷載(主要是二期恒荷載),減小拱肋部分負擔。

3)利用有限元軟件對其強度進行分析,在相同條件下,新型上承式拱橋相對于傳統(tǒng)上承式拱橋,拱腳推力、主梁內力和拱肋應力均較小,表明前者能承受更大的活荷載作用,強度更高。

4)利用有限元軟件對其剛度進行分析,在相同矢跨比下,新型上承式拱橋豎向剛度遠大于傳統(tǒng)上承式拱橋,新型上承式拱橋主梁撓度均較上承式拱橋減少45%以上;矢跨比減小時,新型上承式拱橋豎向剛度變化規(guī)律與對比上承式拱橋基本相同,矢跨比1/4.5～1/5的豎向剛度最大。