周資斌

在橋梁發(fā)展史中占有一席之地的拱橋，迄今已走過了 2000多年的發(fā)展歷程。拱橋的起源眾說紛紜，莫衷一是。拱橋的發(fā)展始終受力學(xué)、材料力學(xué)和施工技術(shù)的制約，并與歷史進(jìn)程的生產(chǎn)力發(fā)展水平息息相關(guān)。伴隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，拱橋以其形態(tài)美、造價(jià)低、承載力強(qiáng)而在世界范圍內(nèi)被廣泛運(yùn)用，長盛不衰。

在形態(tài)萬千的拱橋中，下承式系桿拱橋以其特有的魅力深深吸引了橋梁設(shè)計(jì)者。通常，下承式系桿拱橋?qū)儆跓o推力拱梁組合體系，具有受力合理、造型美觀、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、外形線條流暢以及便于施工等優(yōu)勢(shì)。本文論述的異型拱正是由下承式系桿拱橋演變而來的一種橋型。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 外形特征

異型拱是將普通下承式系桿拱橋(正型拱)中全部的吊桿按相同的斜率傾斜布置，同時(shí)將拱軸線轉(zhuǎn)變?yōu)槠珣B(tài)不對(duì)稱曲線的一種橋型(如圖 1所示)。在傾斜吊桿的拉力作用下，根據(jù)壓力線與拱軸線重合的原理，從而得到理想拱軸線曲線形式為偏態(tài)的拋物線或懸鏈線。

1.2 美學(xué)效果

正型拱橋外形曲線柔和，吊桿強(qiáng)勁，給人良好的視覺效果。異型拱橋不僅保留了正型拱的美學(xué)特點(diǎn)，而且由于異型拱吊桿傾斜、主拱圈偏態(tài)，構(gòu)成獨(dú)特、新穎的外形。

2 受力特點(diǎn)

異型拱橋通常為外部靜定，內(nèi)部超靜定的結(jié)構(gòu)(如圖 2所示)。橋面荷載通過橫梁傳遞至系梁，系梁將部分荷載傳遞給吊桿，再由吊桿傳遞給主拱結(jié)構(gòu)，最后由主拱圈將荷載傳遞至拱腳支座。這種結(jié)構(gòu)形式中，為能夠有效地抵消主拱圈傳遞至拱腳的水平推力，系梁內(nèi)需張拉預(yù)應(yīng)力鋼束。由于整個(gè)上部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支靜定，下部結(jié)構(gòu)不承受水平推力。

異型拱結(jié)構(gòu)中，系梁和主拱結(jié)構(gòu)都有一定的剛度，通過吊桿和系梁內(nèi)的預(yù)應(yīng)力鋼束的作用，能夠?qū)⒑奢d合理地分配給系梁和主拱結(jié)構(gòu)。

為更加清晰地了解異型拱的受力特性，本文對(duì)某異型拱橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。該橋結(jié)構(gòu)尺寸如下:橋?qū)?.5m，雙車道，計(jì)算跨徑32m，計(jì)算矢高8m，吊桿9根，吊桿以1∶1.25的斜率布置，間距2.73m(見圖 2)，全橋共兩片拱肋，拱肋之間由橫系梁連接。拱肋截面為工字形截面，系梁截面為矩形截面(如圖 3所示)。為簡(jiǎn)便起見，現(xiàn)取一片拱肋按平面桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

經(jīng)計(jì)算，得出 3種工況下結(jié)構(gòu)的自重荷載效應(yīng):

1)吊桿未張拉前，自重荷載引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布如圖 4所示。2)吊桿一次全部張拉后，張拉力為200 kN，自重荷載引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布如圖 5所示。3)吊桿由拱頂向兩側(cè)對(duì)稱分批張拉，張拉完后進(jìn)行二次調(diào)索，自重荷載引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布如圖6所示。

從圖 4～圖 6中可以清楚的看出:

1)在未張拉吊桿前，系梁的軸力是均衡分布的，而拱圈的軸力卻呈現(xiàn)從陡拱拱腳向坦拱拱腳“逐漸增大”的分布態(tài)勢(shì)(如圖 4所示)。

2)張拉吊桿后，在傾斜吊桿作用下，系梁和主拱圈的軸力分布發(fā)生如下變化:a.系梁軸力由陡拱側(cè)向坦拱側(cè)軸力分布呈現(xiàn)明顯的“節(jié)節(jié)增大”的趨勢(shì);b.主拱圈的軸力分布出現(xiàn)兩側(cè)拱腳軸力上升的態(tài)勢(shì);c.陡拱段拱腳軸力比坦拱段拱腳小，這與吊桿張拉前的分布態(tài)勢(shì)相近。此外，系梁和主拱圈的彎矩分布發(fā)生如下變化:a.由于吊桿作用，坦拱側(cè)拱腳處彎矩由負(fù)彎矩轉(zhuǎn)變?yōu)檎龔澗? b.系梁陡拱拱腳側(cè)彎矩絕對(duì)值變小，坦拱拱腳側(cè)彎矩值變大。系梁和主拱圈各部位軸力和彎矩變化情況分析見表 1。

表1 自重作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力最值(吊桿張拉前后對(duì)比)

表2 自重作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力最值(不同張拉方式對(duì)比)

3)吊桿的張拉方法不同，內(nèi)力分布也會(huì)有所差別，表 2中列出了二者內(nèi)力最值的比值。從表 2中數(shù)值可以看出，分批張拉吊桿可使拱肋和系梁內(nèi)力最大值有所降低，最小值有所增大，內(nèi)力分布趨于均勻。

此外，從以上的分析可以看出，系梁為平衡拱肋的水平推力而承受較大的軸拉力。因此，對(duì)于混凝土系梁而言，需要在系梁布置一定數(shù)量的預(yù)應(yīng)力鋼束，依靠預(yù)應(yīng)力鋼束施加的軸壓力來平衡由于拱肋推力引起的軸拉力。

3 結(jié)語

本文通過對(duì)異型拱的外形和內(nèi)力計(jì)算分析，可以看出:

1)異型拱造型優(yōu)美，結(jié)構(gòu)外形富有變化，適合運(yùn)用于城市橋梁和平原地區(qū)的高速公路支線上跨橋梁中。

2)由于吊桿的作用，異型拱的系梁軸力呈不均勻分布，表現(xiàn)為:沿吊桿傾斜的方向，軸力會(huì)出現(xiàn)節(jié)節(jié)變大的現(xiàn)象。從結(jié)構(gòu)受力和經(jīng)濟(jì)合理上考慮，異型拱并不適合用于大跨徑的橋梁中。

3)異型拱施工過程中，一次張拉全部吊桿與分批張拉對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響是不同的。從內(nèi)力分布情況上看，分批張拉，張拉完畢后再進(jìn)行二次調(diào)整張拉力的施工方法要優(yōu)于一次張拉全部吊桿的施工方法。

[1] JTG D 60-2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[2] JTG D 62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 李 麗，李 喬.對(duì)一種新型拱橋結(jié)構(gòu)的美學(xué)分析及內(nèi)力特性研究[J].四川建筑科學(xué)研究，2003(5):95-96.

[4] 姚玲森.橋梁工程[M].北京:人民交通出版社，2003.