混凝土拱橋拱上建筑輕型化研究

黃卿維， 陳寶春， 吳慶雄， 王 征

(福州大學 土木工程學院， 福建 福州 350108)

從結構方面來看，以廉價的抗壓強度高的混凝土作為結構主要材料的混凝土拱橋是合理的，因此適合跨越深谷河流的上承式混凝土拱橋在相當長的時期內一直是我國的主導橋型，其最大跨徑為1997年建成的重慶萬州長江大橋(420 m)，迄今為止其跨徑還未有突破。然而，近二十年來拱橋的研究和發展與其它橋梁相比卻相對落后，進入21世紀后，其修建的數量有下降趨勢[1]。

然而，國外近幾年對超大跨徑混凝土拱橋的研究相當活躍[2]，如克羅地亞相繼提出了主跨分別為432 m、500 m、750 m和1000 m的拱橋設計構思[3,4]；Jean Muller國際顧問工程師公司與Alian Spielmann顧問建筑師公司在法國米勒高架橋的國際方案競標中聯合提出了主跨602 m的混凝土拱橋方案[5]；日本土木協會組織進行跨度達600 m鋼筋混凝土拱橋的可行性研究，于2003年出版了《600m跨徑級的混凝土長大拱橋的設計與施工》一書[6]。

為使我國混凝土拱橋的技術成就繼續保持世界領先地位，有必要開展超大跨徑混凝土拱橋的前期科研工作。制約混凝土拱橋向更大跨度發展的主要問題是結構自重大和由此帶來的施工架設困難，而實現混凝土拱橋輕型化可分為拱圈輕型化與拱上建筑輕型化。對于拱圈輕型化，福州大學陳寶春教授提出了鋼-混凝土組合拱橋的構思，即用輕質高強的鋼板(波形鋼板或平鋼板)或鋼腹桿取代傳統鋼筋混凝土拱圈中厚重的混凝土腹板，從而形成鋼腹板(桿)-混凝土組合拱。研究表明，雖然其后期鋼結構的養護工作量較大，但考慮到新型拱圈的材料費用與混凝土拱圈費用大致相同，且其可減輕拱圈自重約30%和減少下部結構工程量，免除混凝土腹板模板、綁扎鋼筋等施工工序所帶來的施工費用，經濟效益較為明顯，因此具有相當的工程應用潛力[7～9]。

我國上承式混凝土拱橋拱上建筑一般采用混凝土材料的簡支體系，結構自重大，且施工工序煩雜。借鑒國內外橋梁結構輕型化的研究成果可知，拱上建筑輕型化的途徑主要有三種：橋道系連續化、采用組合結構或者輕質高強材料代替原有的混凝土結構。其中橋道系連續化是指橋道系采用了連續梁或連續剛構-連續梁組合體系，如克羅地亞Krka橋[10]、日本富士川橋[11]和美國Colorado橋[12]等都是采用這種結構體系；橋道系采用的組合結構常見的有工字鋼-混凝土組合梁、鋼腹板(桿)-混凝土組合梁等，如福州青洲閩江大橋[13]、日本矢作川橋[14]等；拱上立柱采用組合結構一般為鋼管混凝土結構，如湖北支井河大橋、重慶奉節梅溪河大橋等[10]。

本文將以420 m跨徑的重慶萬州長江大橋為工程背景，采用橋道系連續化和組合結構對拱上建筑進行輕型化試設計，分析拱上建筑輕型化后對橋梁結構的靜力與動力性能的影響，探討其工程應用可行性，以期為混凝土拱橋減輕結構自重，并向超大跨徑發展提供一個有效途徑。

1 拱上建筑輕型化拱橋試設計

1.1 工程背景

萬州長江大橋[15]位于重慶萬州市上游7 km，設計荷載為汽-超20，掛-120，人群荷載為3.5 kN/m2；橋面凈寬為凈2×7.5m行車道+2×3.0 m人行道，總寬24 m，地震基本烈度6度，按7度驗算。橋梁采用上承式混凝土箱拱，計算跨徑424.59 m，計算矢高84.86 m，矢跨比1/5，懸鏈線拱軸系數m=1.6，總體布置見圖1。

圖1 重慶萬州長江大橋總體布置圖/cm

拱上立柱共有12對，橫橋向柱寬均為2.5 m，縱橋向頂寬1.4 m，兩側按1/100比例放坡，蓋梁尺寸為20 m×1.6 m×1.8 m，均采用C30混凝土，其構造見圖2。主梁采用10片30.668 m跨徑的預應力砼簡支T梁(圖3)，主梁梁高1.75 m，間距2 m，采用C50混凝土。拱上立柱和橋道系分別采用了滑模頂升現澆法和預制節段拼裝法進行施工。

圖2 拱上立柱和蓋梁結構構造圖/cm

圖3 T梁跨中橫斷面圖/cm

1.2 試設計方案

由于本文僅對拱上建筑輕型化進行研究，因此試設計方案仍采用原設計的混凝土拱圈結構。試設計方案共有4個，其中方案一和方案二的橋道系采用了連續化的結構形式，方案三和方案四的拱上建筑采用了組合結構，具體如表1所示。

1.2.1橋道系連續化方案

方案一和方案二均采用了變截面預應力混凝土連續箱梁橋道系，為單箱五室結構，梁高由梁端處1.80 m按二次拋物線漸變到跨中1.10 m，頂底板厚為20 cm，邊腹板厚30 cm，中腹板厚26cm，混凝土等級采用C50。其截面尺寸如圖4所示。方案一的橋道系分為三聯，跨徑布置為5×30.668 m+4×30.668 m+5×30.668 m；而方案二的橋道系不分聯，使拱上14跨形成一聯。兩方案均采用相同的梁柱連接方式，靠橋臺側的五對立柱(包括交界墩)因柱高使得柔度較大，故采用梁柱固結連接方式，其余梁柱間均采用支座連接。

表1 各試設計方案匯總表

圖4 PC連續箱梁橫截面示意圖/cm

1.2.2拱上建筑組合結構方案

方案三采用無板托的等截面工字鋼-混凝土組合連續梁結構形式，全跨不分聯，每跨設置10片梁。每片組合梁混凝土頂板厚12 cm，鋼腹板高1260 mm，厚30 mm。為防止鋼梁失穩，每隔5m設置一道厚30mm的豎向加勁肋。其鋼材和混凝土分別采用Q345和C50，結構構造見圖5。

圖5 組合梁截面結構構造圖/mm

方案四在方案三的基礎上，對拱上立柱進行輕型化，即采用3柱排架式鋼管混凝土結構代替原設計的混凝土箱形柱，其截面為φ1000 mm×15 mm的圓形鋼管混凝土，柱距為6.5 m；立柱橫撐為φ500 mm×8 mm的圓形鋼管，每隔8 m設置一道。其鋼材和混凝土分別采用Q345和C30。鑒于組合梁擁有較強的跨越能力，柱距由原設計的30.668 m提高到42.935 m，拱上立柱由原來的12對減少到8對。

2 靜力性能分析

2.1 有限元模型

采用大型通用有限元軟件MIDAS/Civil對各個設計方案進行建模。其中拱圈、拱上立柱和橋道系采用梁單元進行模擬，橋道系與蓋梁之間采用彈簧連接，蓋梁與拱上立柱之間及拱上立柱與拱圈之間采用剛臂連接。方案一的有限元模型示意如圖6所示。

圖6 方案一有限元模型示意圖

2.2 結構受力分析

結合試設計方案拱上建筑結構自重的統計，并以JTG D60-2004《公路橋涵設計通用規范》[16]為標準，對各方案在承載能力極限狀態下拱圈內力和撓度最大值進行比較(表2)，以此來評價試設計方案受力的合理性。從表中可知，與原設計相比，方案一和方案二的拱上建筑自重僅減輕4%，其拱腳軸力和彎矩僅減小1%和8%左右，橋道系連續化對減輕拱上建筑自重的效果不大，其主要原因為原設計已對其進行過優化，在不改變建筑材料的前提下，其再次優化的空間較小。方案三和方案四的拱上建筑自重獲得大幅度降低(分別為18%和35%)，其拱腳軸力分別減小7%和16%，拱腳彎矩分別降低10%與17%，拱頂撓度分別減小14%與9%，說明拱上建筑采用組合結構的輕型化效果較好，尤其是立柱采用組合結構的方案四，不過由于其立柱間距增大導致拱圈受力相對不均，導致其拱頂撓度較方案三大。

表2 各方案拱上建筑自重與拱圈內力與位移峰值比較表

2.3 穩定分析

表3給出原設計與試設計方案前三階穩定系數和失穩形態比較。從方案一、二與原設計的比較可知，橋道系的連續化有利于提高拱橋的穩定性，有助于拱橋向更大跨徑方向發展；從方案二、三與原設計的比較可知，隨著結構自重的減小，拱橋的穩定性能得到提高；從方案三與方案四的比較可知，雖然方案四拱上結構自重比方案三小，但受拱上立柱間距增大到42 m的影響，其各階模態的穩定系數均略低于方案三，即增大立柱間距不利于拱橋的穩定性。

2.4 施工性能

與原設計相比，方案一和方案二橋道系采用的懸臂現澆法的施工設備與工藝均較為復雜，且施工工期較長；方案三橋道系采用頂推法施工，可節省大量的預制場地，并縮短工期；方案四的拱上立柱采用了鋼管混凝土結構形式，可利用鋼管作為管內混凝土的模板，免除原設計中鋼筋混凝土立柱所需的立模、綁扎鋼筋和拆模等一系列施工工序，加快施工進度。

表3 各方案穩定系數與失穩形態比較

3 抗震性能分析

3.1 地震響應分析計算參數

采用動態時程法進行各設計方案的地震響應分析。積分方法采用振型疊加法，時間步長△t取為0.02 s，持續時間為30 s。阻尼矩陣采用Rayleigh模型，結構阻尼比取為0.04，且不考慮主要振型的阻尼比偏離此值的影響[17]。假定各個結構構件處于彈性階段，初期條件為拱橋在恒載作用下的內力狀態。輸入地震波采用國際上常用的強震記錄——EI-Centro波，對拱橋的三個方向(縱橋向、橫橋向與豎向)進行加載，其中地震動豎向分量取地震動水平分量的1/2。實際分析時，調整水平加速度峰值為0.981 m/s2(0.1g)，以使EI-Centro波的最大加速度值與橋位處地震烈度七度相吻合。

3.2 三向地震作用下橫橋向特性

表4給出三向地震作用下各設計方案拱圈橫橋向受力特性比較。從表中可知，與原設計相比，方案一和方案二的拱腳橫向彎矩峰值分別比原設計減小4%與9%，而拱頂橫向位移峰值相差不大，說明縱梁的連續化可降低拱腳截面橫向彎矩，但對拱頂橫向位移影響很小；方案三和方案四拱腳截面橫向彎矩峰值分別減小12%與13%，拱頂橫向位移峰值分別降低15%與18%，說明由于組合結構有效地降低了拱上建筑自重，從而大幅地減小了拱腳橫向彎矩與拱頂橫向位移。

表4 三向地震作用下各方案拱圈橫橋向受力性能比較

3.3 三向地震作用下縱橋向特性

表5給出三向地震作用下各設計方案拱圈縱橋向受力特性比較。從表中可知，與原設計相比，方案一和方案二的拱頂縱向彎矩峰值分別減小2%與7%，拱腳彎矩峰值分別減小8%與9%，拱腳軸力均減小6%；方案三和方案四的拱頂縱向彎矩分別減小47%與45%，拱腳縱向彎矩分別減小52%與44%，拱腳軸力分別減小10%與20%。與橫橋向特性相似，采用組合結構拱上建筑后，結構自重大大減小，從而降低了地震響應，有利于拱橋向大跨徑發展。

表5 三向地震作用下各方案拱圈縱橋向受力性能比較

4 結 論

借鑒于國內外相關研究成果，以420m跨徑的重慶萬州長江大橋為背景工程，通過橋道系連續化和采用組合結構代替原有的混凝土結構等方式來進行混凝土拱橋拱上建筑輕型化研究，得出的主要結論如下所示：

(1)由于原設計已對橋道系進行優化，因此本文所進行的橋道系連續化試設計方案(方案一和方案二)對減輕拱上建筑自重的效率較低(4%)，其靜力性能與抗震性能提高不大(拱圈內力和位移峰值減小不超過10%)，但橋道系連續化有利于行車舒適，且在地震作用下能夠較好地避免落梁現象，具有工程應用價值。

(2)采用組合結構替換原設計的混凝土結構的試設計方案(方案三和方案四)，使得拱上建筑自重獲得了大幅度的減輕，尤其是橋道系和立柱均采用組合結構的方案四，達到35%，其承載能力極限狀態下拱腳軸力、彎矩和拱頂撓度分別減小了16%、17%和9%，三向地震作用下的拱圈拱腳橫向彎矩、拱頂橫向位移分別減小了13%和18%，拱腳縱向彎矩、軸力和拱頂縱向彎矩分別減小了45%、44%和20%，說明拱上建筑采用組合結構的輕型化效果較好，即減小了承載能力狀態下拱圈內力，又降低了地震響應，而且組合結構的研究已較為成熟，并大量被應用于工程實踐中，因此采用組合結構進行拱上建筑輕型化在結構受力方面是可行的。

雖然拱上建筑采用組合結構后的工程材料費用將有所提高，且后期的養護工作量也較大，但考慮到其結構自重降低可減小主拱圈結構尺寸、降低下部結構的工程量和施工便利(如節省施工設備費用、縮短工期)所帶來的經濟效益，其工程總造價將相差不大。隨著我國經濟的發展，鋼結構產量和性能的不斷提高，其材料費用和后期養護費用將逐漸降低，因此，采用組合結構進行拱上建筑輕型化具有相當的應用前景。

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