大跨坦拱連續梁組合結構受力特點分析

梁天福

（武漢地鐵集團公司 武漢 430030）

1 工程概況

1.1 總體布置

始建于隋代的趙州橋［1］以其精美的造型，巧妙的設計一直使用至今，為世界橋梁史上之首創，被稱為“坦拱橋之祖”。傳統的上承式或中承式拱橋拱腳的不平衡水平推力一般都靠地基來抵消，它對基礎的要求非常高，故在軟土地基很少應用［2］。本橋位于軟土地區，跨度為450m，僅靠基礎來抵抗拱橋的水平推力及拱腳彎矩，將需要采用巨大的基礎，從理論上來說方案實施困難很大。為解決拱橋的水平推力同時又要使基礎不承擔拱橋的水平推力及彎矩，將坦拱兩拱腳直接采用支座與承臺連接，既消除了拱橋的水平推力對基礎的影響，又釋放了大跨度拱橋由于溫度變形產生的拱腳巨大彎矩；通過在鋼箱梁內設置水平系桿以及將鋼箱梁本身作為系桿來抵消拱橋的水平推力。

某城市高架橋梁設計荷載為公路I級，雙向6車道。在滿足橋下通航要求以及附近機場建筑物凈空要求的條件下，并考慮景觀要求，該橋主橋采用了結構高度低、跨越能力大、造型美觀的坦拱連續梁組合結構。橋長630m，橋跨布置為90m ＋450m＋90m。拱肋軸線采用懸鏈線，計算跨徑為440m，計算矢高50.5m，矢跨比1／8.713，見圖1。

圖1 主橋總體布置（單位：m）

1.2 主梁

邊跨、中跨主梁均采用鋼結構，三主梁形式，見圖2。中跨主梁高4.0m，邊跨主梁高8.0m，橋面寬46.0m。頂板設2.0%雙向橫坡，主梁之間通過橫隔板連接。邊跨為避免出現拉力，支座需要壓重，壓重材料以鐵砂為主。

圖2 主梁構造圖（單位：cm）

1.3 拱肋

主拱結構為平行鋼箱拱，采用Q345qd鋼材，彈性模量E＝210GPa。鋼拱肋計算跨度為440 m，截面寬3.0m，橋面以上拱肋高度6.0m，橋面以下9 m。3 片拱肋在順橋向共設置9 道橫撐。拱腳采用混凝土結構，高度10.5m，見圖3。

圖3 拱肋構造圖（單位：cm）

1.4 系桿體系

永久系桿采用高強度低松弛鋼絞線制成，全橋系桿共22 束85Φ15.4 鋼鉸線，總索力有157 080kN。

1.5 吊桿

采用豎直吊桿，本橋共設27對，縱向索距10 m，吊桿采用PE 護套鍍鋅高強平行鋼絲，可調試冷鑄鐓頭錨。

1.6 基礎

拱座基礎采用69 根直徑1.5 m 鉆孔灌注樁，樁長為98m；承臺尺寸（橫橋向×縱橋向）為61.8m×18.8m，厚5.0m。拱座臺上橫向設置3個13 000t鋼支座。

2 結構受力分析

2.1 計算模型

采用“橋梁博士”建立的有限元分析模型，總計節點348個，單元376個。一個拱腳按固定鉸支座模擬，另一個拱腳按活動鉸支座模擬；邊跨端部按活動鉸支座模擬，計算模型見圖4。

圖4 有限元分析模型

2.2 計算結果

2.2.1 拱肋計算結果

拱肋截面軸力如圖5所示，鋼拱肋（三拱）基本組合工況下最大軸力為3.36×105kN，最小軸力為2.79×105kN，最大彎矩2.45×105kN·m，最小彎矩－3.80×105kN·m。基本組合工況下拱肋最大壓應力為176.7 MPa，最小壓應力為50.8 MPa。拱肋拱腳、1／4 拱、拱頂截面基本組合工況下結構受力結果見表1。

圖5 拱肋基本組合軸力圖（單位：kN）

表1 拱肋各控制截面基本組合工況下結構彎矩、軸力匯總表

2.2.2 主梁計算結果

主梁截面應力如圖6，7所示，基本組合工況下最大拉應力為－104.1 MPa，最大壓應力為168.1 MPa，系梁部分兼作系桿功能使用。

圖6 系梁上緣基本組合正應力包絡圖（單位：MPa）

圖7 系梁下緣基本組合正應力包絡圖（單位：MPa）

2.2.3 位移

橋梁鋪裝層施工完成后，中支點活動端理論計算水平位移為17.6cm，系梁跨中理論計算豎向位移為－86.4cm，拱肋跨中豎向位移為－81.4 cm。升、降溫工況下中支點活動端水平位移為±13.4cm，系梁跨中豎向位移為±0.6cm，拱肋跨中豎向位移為±1.4cm。活載作用下中支點活動端水平位移為±4.7cm，系梁跨中豎向位移為16.5cm，撓跨比1／2727。

2.3 計算結論

鋼筋混凝土桁架坦拱橋最大跨度為305 m，計算矢高1／7.4，由于鋼筋混凝土受到材料強度的限制，跨度400～500m，已經基本達到極限；采用鋼結構，跨度到400～600 m 完全可行。本方案經過上述計算，無論拱肋、主梁受力，還是橋梁變形結果均能滿足規范要求，方案完全可行。

3 結構受力特點

該體系由V 構及坦拱組合而成，坦拱拱肋與系梁組合形成“連續梁”跨中部分，拱肋主要以受壓為主；主拱范圍內系梁主要以受拉為主，其余位置主要以拉壓為主；V 形部分類似“連續梁”零號塊，下部撐腳部分主要以受壓為主，上緣橋面以受拉為主。圖8為本方案傳力途徑示意圖。

圖8 坦拱連續梁橋傳力途徑示意圖

由圖8可見，梁部荷載通過吊桿傳遞到拱肋，拱肋將吊桿、拱肋自身兩部分荷載傳遞到V 撐和系梁，豎向力傳遞至基礎。同時，系梁采用水平系桿自錨，平衡拱肋傳遞的水平力。

各部分受力特點如下。

（1）梁部。全部采用鋼箱梁，與普通拱橋梁部不同，本方案系梁兼作系桿使用，平衡坦拱部分水平分力。

（2）V 構。為減輕結構的自重，減低主墩支座噸位，V 構全部采用鋼結構。V 構主要承擔坦拱、水平系桿傳遞而來的水平力；其次，V 構類似連續梁的“零號塊”下緣，主要以受壓為主，需要采用較大承載力的鋼結構材料。最后V 構將梁部、拱肋產生的豎向荷載傳遞給基礎，作為本結構體系上部結構的重要支撐體系。

（3）拱肋。全部采用鋼箱梁，首先拱肋將吊桿、拱肋自身兩部分荷載傳遞到V 撐和系梁；其次拱肋與系梁固接形成連類似“連續梁”中跨梁部，拱肋主要以受壓為主，系梁主要以受拉為主。

（4）系桿。系桿主要承受拱傳來的水平力，同時系桿與全橋梁部通過變形協調來調整內力。

（5）吊桿。主要傳遞橋面荷載給拱肋。

4 結論

（1）將坦拱橋設置成連續梁形式，兩拱腳直接采用支座與承臺連接，既消除了拱橋的水平推力對基礎的影響，又釋放了大跨度拱橋由于溫度變形產生的拱腳巨大彎矩。通過在鋼箱梁內設置水平系桿以及將鋼箱梁本身作為系桿來抵消拱橋的水平推力。

（2）采用V 構及坦拱組合結構形式，可有效減低橋梁建筑高度，V 構可有效提高支點處橋梁剛度，從而可加大橋梁跨度。

［1］中國公路學會橋梁和結構委員會.面向創新的中國現代橋梁［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［2］嚴愛國，尹書軍.滬杭客運專線自錨上承式拱橋關鍵技術研究［J］.鐵道標準設計，2011（10）55－57.