顧曉毅

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

世界上首座斜靠式拱橋為1987 年建造于巴塞羅那的Bacde Road Bridge，我國已建成的斜靠式拱橋有昆山玉峰大橋、義烏丹溪大橋和上?？祵幝肥曉邃捍髽虻?。該類型拱橋是傳統(tǒng)拱橋的創(chuàng)新，避免了主拱間風撐造成的行車壓抑感，同時增設斜靠拱，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、對景觀有一定要求的橋梁。國內(nèi)該類橋梁的最大橋面寬度、主跨分別達到了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)構體系（橫斷面）圖

斜靠式鋼箱拱橋結(jié)構體系較為新穎，國內(nèi)相關研究并不多。肖汝誠[1]等以昆山玉峰大橋為例，對斜靠式鋼管混凝土拱橋的力學性能、構造特征等問題進行分析；王玉銀[2]等以廣東金山大橋為背景，探討其力學性能、破壞機理和穩(wěn)定承載力；陳淮等以益陽康富南路橋[3]、潮州韓江北橋[4]為研究對象，進行振動特性及參數(shù)分析。上述研究主要針對鋼管混凝土斜靠拱橋，而針對斜靠式鋼箱拱的穩(wěn)定性研究很少。本文以已建成的上?？祵幝肥曉邃捍髽驗楸尘?，研究斜靠式鋼箱拱橋的穩(wěn)定承載力，同時進行成橋靜動載試驗，驗證大橋受力性能。

1 大橋設計概況

蕰藻浜大橋采用圖1（c）所示受力體系，設計荷載等級為城-A 級。大橋主孔跨徑145 m，矢高24 m（矢跨比≈1/6.0），橋梁滿足機動車、非機動車和行人過河需求，橋面總寬度達到52.3 m。大橋采用斜靠式拱橋結(jié)構，斜拱設計傾角為θ=19°，斜拱與主拱之間設置風撐，兩片主拱間不設風撐。

考慮河道通航要求，大橋采用“先拱后梁”的安裝方法，施工期間設置少量支架。大橋主體結(jié)構采用便于預制安裝的鋼箱拱、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應；主拱與斜拱間設置4對橫撐，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，對應主拱和斜拱處設置；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，其上鋪設預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、斜吊桿布置在對應拱肋所在面內(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、橫撐均采用空間梁單元，混凝土橋面板采用板單元，吊桿采用拉桿單元，同時輸入橋梁下部結(jié)構模擬約束剛度。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

主要計算分析見表1 所列六種荷載工況[5]對應的大橋穩(wěn)定系數(shù)，其中重力荷載采用重力加速度場的方法施加，其它荷載換算成等效荷載施加在相應節(jié)點處。

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，該處位移應作為成橋監(jiān)測的重點。

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，對大橋進行非線性穩(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（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，由于結(jié)構橫向剛度較低，對橫向風載、活載偏載最為敏感，因此汽車偏載布置、考慮風載時（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

3.1 試驗內(nèi)容

通過成橋狀態(tài)試驗，主要了解橋梁在設計使用荷載下的結(jié)構性能，獲取結(jié)構靜動力特性等特征參數(shù)。大橋靜、動載試驗測點布置如表3 所列。

表3 成橋試驗測點布置一覽表

3.2 靜載試驗

靜載試驗結(jié)果分析主要包括變位（應力）校驗系數(shù)、相對殘余變位。

大橋靜載試驗變位校驗系數(shù)如表4 所列。結(jié)果表明：各測點撓度實測值均小于理論計算值，檢驗系數(shù)在0.57～0.68 之間，滿足設計剛度要求。

表4 靜載試驗變位校驗系數(shù)表

大橋靜載試驗相對殘余變位如表5 所列。結(jié)果表明：各測點相對殘余變位在4.8%～7.8%之間，大橋具備較好的彈性恢復能力。

表5 靜載試驗相對殘余變位一覽表

3.3 動載試驗

該橋動載試驗應變動態(tài)增量μ 如表6 所列。結(jié)果表明：試驗車輛以不同速度駛過平整橋面時引起的動態(tài)增量為0.04～0.14，駛過模擬不平整橋面時引起的動態(tài)增量為0.12～0.29；由于橋梁整體剛度較大，設計中動載沖擊效應較為明顯。

表6 動載試驗應變動態(tài)增量一覽表

4 結(jié)語

通過設置斜靠拱，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，滿足設計要求。成橋靜動力試驗表明，靜載變位校驗系數(shù)和相對殘余變位均反映大橋受力性能良好，同時動載應變動態(tài)增長率可達到0.29，設計中動載沖擊不可忽視。