張 滔，潘常建

（天津城建設(shè)計院有限公司，天津市 300122）

非對稱無推力拱橋設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究

張 滔，潘常建

（天津城建設(shè)計院有限公司，天津市 300122）

九沙大道橋一端為中承式結(jié)構(gòu)形式，一端為下承式結(jié)構(gòu)形式，橋梁為中承式與下承式組合的單跨拱橋結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)體系及吊桿力直接決定了構(gòu)件受力狀態(tài)，局部關(guān)鍵節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜。對非對稱無推力拱橋結(jié)構(gòu)體系及合理吊桿力進行了研究，并介紹了非對稱無推力拱橋關(guān)鍵局部節(jié)點構(gòu)造。相關(guān)研究成果可為類似橋梁的設(shè)計及施工提供借鑒。

無推力拱橋；結(jié)構(gòu)體系；吊桿力；局部節(jié)點

1 工程介紹

九沙大道跨運河二通道大橋主橋為三跨連續(xù)無推力拱橋，主橋采用新穎獨特的全鋼拱結(jié)構(gòu)，跨徑布置為30 m+95 m+20 m，全長145 m，全寬42～50 m。主受力結(jié)構(gòu)由兩道邊拱和一道中拱組成，輔以風撐連接。為產(chǎn)生良好的視覺效果（見圖1、圖2），中拱和邊拱分別采用不同的矢跨比。西側(cè)拱腳伸入下部基礎(chǔ)形成剛性連接，并輔以斜撐和拉桿，以消減主梁內(nèi)力和相鄰拱腳的水平力；東側(cè)拱腳和橋面梁體剛接。橋梁基本構(gòu)件的材料構(gòu)成為：鋼箱拱肋、風撐、縱橫梁及正交異性鋼橋面板，整束擠壓環(huán)氧噴涂鋼絞線型吊桿等。

圖1 九沙橋效果圖

圖2 行車視覺效果圖

2 非對稱無推力拱橋結(jié)構(gòu)體系及合理吊桿力研究

2.1 結(jié)構(gòu)體系研究

采用大型通用有限元程序Midas civil，對兩端固定體系及一端固定一端滑動體系進行對比分析（見圖3、圖4）。

圖3 一端固定一端滑動模型

圖4 兩端固定模型

由表1、表2可知，兩端固定體系與一端固定一端滑動體系相比，主梁承擔的軸力直接轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)水平反力，恒載下水平反力約2 000 t；標準組合下由于橋梁結(jié)構(gòu)無法自由伸縮，水平反力高達7 000 t，嚴重制約了下部基礎(chǔ)的設(shè)計。

表1 兩種體系恒載作用下受力對比

表2 兩種體系標準組合下受力對比

無推力拱橋基礎(chǔ)中不產(chǎn)生水平推力，水平推力全部由結(jié)構(gòu)內(nèi)部系梁承擔[1]，結(jié)構(gòu)體系水平方向靜定，因此不需考慮常年溫差的變化以及長期荷載作用下的土體滑移引起的內(nèi)力變化。

2.2 合理吊桿力研究

無推力拱橋的主要受力構(gòu)件為拱、吊桿和系梁組成的整體，一旦橋梁結(jié)構(gòu)布置確定，總能找出一組吊桿力，使得結(jié)構(gòu)在確定性荷載作用下，某種反映受力性能的指標達到最優(yōu)[2，3]。表3為兩種體系恒載作用下受力對比

表3 兩種體系恒載作用下受力對比

無推力拱橋中，吊桿力的合理與否直接關(guān)系著施工階段的受力安全和成橋后的內(nèi)力分布，這將影響橋梁今后正常使用狀態(tài)乃至使用壽命。張拉力可能需要多次張拉調(diào)整，才能達到理想的成橋狀態(tài)和內(nèi)力要求，確定吊桿的張拉力是問題的關(guān)鍵。

3 非對稱無推力拱橋關(guān)鍵局部節(jié)點構(gòu)造

3.1 邊拱小拱箱腹板變化處局部分析

邊拱合并段范圍構(gòu)件截面形狀不一致，梁單元模型中未考慮此變化，該節(jié)點的受力狀態(tài)需進行細致分析。腹板變化段采用板單元模擬，其余采用梁單元和桁架單元模擬（見圖5～圖7）。

圖5 板單元在全橋模型中

圖6 板單元模型

圖7 板單元應(yīng)力（最大131 MPa）

3.2 邊拱拱間聯(lián)系局部分析

兩條分離的邊拱在吊桿位置采用箱型鋼構(gòu)件連接，在中拱與邊拱之間設(shè)置風撐以增強橋梁整體性能，其位置與吊桿位置對應(yīng)。拱間聯(lián)系處連接構(gòu)件較多，受力狀態(tài)較為復(fù)雜，特對其進行局部分析。局部范圍采用板單元模擬，其余采用梁單元和桁架單元模擬（見圖8～圖10）。

圖8 板單元在全橋模型中

圖9 板單元模型

圖10 板單元應(yīng)力（最大181 MPa）

3.3 邊拱分開段與合并段交接處局部分析

邊拱采用上下二層通透拱肋斷面的拱肋形式，拱肋由一個拱箱變成上、下兩道拱肋的漸變構(gòu)造細節(jié)，邊拱上、下兩層拱箱與風撐吊耳的連接構(gòu)造細節(jié)，都需要進行相應(yīng)的計算分析與局部節(jié)點構(gòu)造的研究。過渡段采用板單元模擬，其余采用梁單元和桁架單元模擬（見圖11～圖13）。

圖11 板單元在全橋模型中

圖12 板單元模型

圖13 板單元應(yīng)力（最大163 MPa）

3.4 拱梁連接處局部分析

東側(cè)拱腳和橋面梁體剛接，并在主梁下設(shè)置順橋向滑動支座釋放拱橋水平力，為下承式拱橋的結(jié)構(gòu)形式（見圖14～圖16）。

圖14 板單元在全橋模型中

圖15 板單元模型

圖16 板單元應(yīng)力（最大181 MPa）

3.5 斜撐與縱梁相交處局部分析

西側(cè)拱腳伸入下部基礎(chǔ)形成剛性連接，并輔以斜撐和拉桿，以消減主梁內(nèi)力和相鄰拱腳的水平力，為中承式拱橋的結(jié)構(gòu)形式（見圖17～圖19）。

圖17 板單元在全橋模型中

圖18 板單元模型

U448.22

B

1009-7716（2016）12-0047-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.12.014

2016-08-24

張?zhí)希?981-），男，江蘇南通人，高級工程師,從事橋梁設(shè)計工作。