大跨度中承式拱橋結(jié)構(gòu)體系

馮希訓(xùn) ，徐利平 ，張 叢

（1.天津市市政工程設(shè)計研究院，天津市 300051；2.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院，上海市 200092）

0 引言

在目前的大跨度橋梁設(shè)計中，中承式拱橋是優(yōu)先考慮的橋型之一。它具有優(yōu)越的力學(xué)特點和廣泛的適用場合。許多拱橋為避免兩岸橋臺及基礎(chǔ)的水中施工困難和拱肋防撞問題，起拱線設(shè)于常水位或低水位之上，在一定的跨徑和矢跨比條件下，拱的矢高遠(yuǎn)大于起拱線與橋面標(biāo)高間的距離，就無法采用上承式，而多采用中承式。

海諾·嗯戈爾將結(jié)構(gòu)體系定義為：“結(jié)構(gòu)內(nèi)部荷載的傳遞方式以及為保持結(jié)構(gòu)內(nèi)部平衡而形成的內(nèi)力狀態(tài)”。針對中承式拱橋，一般而言其傳力方式為：橋面荷載直接作用在橋面上，對于以拱為主要承重構(gòu)件的結(jié)構(gòu)體系，橋道系把作用力通過吊桿和立柱傳遞到主拱肋上，主拱肋又把這些作用力傳遞到拱座和地基，形成傳力主從結(jié)構(gòu)；對于以梁為主或拱梁共同承重的結(jié)構(gòu)體系，還有一部分橋面荷載由系梁來承受。但是，隨拱、梁間結(jié)合方式不同，最終又表現(xiàn)出不同的受力狀態(tài)。

目前文獻(xiàn)關(guān)于中承式拱橋受力特性的研究，主要集中在某座具體拱橋或者拱肋、橫撐、吊桿、主梁等某個具體構(gòu)件上，缺乏對中承式拱橋結(jié)構(gòu)體系的系統(tǒng)分類和研究。本文將大跨度中承式拱橋的結(jié)構(gòu)體系分為5種，即有推力單拱體系、自平衡連拱體系、自平衡剛構(gòu)式連拱體系、剛構(gòu)與下承式拱組合體系、具有梁橋支承體系的連拱結(jié)構(gòu)，旨在分析這5種結(jié)構(gòu)體系的受力、傳力規(guī)律，并結(jié)合已建實際工程案例，總結(jié)各體系總體設(shè)計參數(shù)及構(gòu)造形式，供類似設(shè)計參考。

1 大跨度中承式拱橋結(jié)構(gòu)體系

通過對已建大跨度中承式拱橋的構(gòu)造形式、受力特點進(jìn)行對比研究，現(xiàn)將中承式拱橋結(jié)構(gòu)體系分為以下5種。

1.1 有推力單拱體系

單拱體系即一孔跨越河流、山谷等障礙的單孔拱橋體系，主拱圈是主要承重構(gòu)件，承受橋上全部荷載，并通過其拱腳傳給墩臺與基礎(chǔ)。單拱體系拱橋按照主拱的靜力特點又可分為三鉸拱、兩鉸拱和無鉸拱，而單跨中承式拱橋多采用有推力的無鉸拱體系。無鉸拱屬外部三次超靜定結(jié)構(gòu)，在自重及外荷載作用下，拱內(nèi)彎矩分布均勻，材料用量省。但是，由于其超靜定次數(shù)高，溫度變化、材料收縮徐變、結(jié)構(gòu)變形、墩臺位移均會在拱內(nèi)產(chǎn)生較大附加力，所以無鉸拱一般建造在地基良好的條件下。但是，附加內(nèi)力的影響會隨著跨徑增大而相對減小，故無鉸拱仍是大跨度橋梁采用較多的一種構(gòu)造形式，特別適用于能一跨跨越河流、山谷的西部山區(qū)地帶，如圖1所示。廣西邕寧邕江大橋、四川宜賓南門金沙江大橋、重慶巫山巫峽長江大橋即采用該種體系。其總體設(shè)計參數(shù)、構(gòu)造形式見表1。

1.2 自平衡連拱體系

“連拱”即連續(xù)的多孔拱橋，當(dāng)支承在有限剛度橋墩上時，某一孔受到活載作用，其拱腳連同橋墩墩頂將一同發(fā)生位移和轉(zhuǎn)角，引發(fā)連拱效應(yīng)；“自平衡”即在兩邊拱端部張拉系桿，以平衡恒載作用下中墩基礎(chǔ)的水平推力，因此中墩基礎(chǔ)只承受溫度荷載、活載等產(chǎn)生的水平推力，能適應(yīng)軟土地基地質(zhì)條件。

采用自平衡連拱體系的較大跨度中承式拱橋多配合無主梁的“橫梁+橋面板”橋道系形式，通常將較大跨一孔的矢跨比做大以減小大跨的水平推力，并通過邊拱來平衡主拱產(chǎn)生的水平推力，亦常在兩邊跨端部橫梁之間設(shè)置柔性系桿來平衡恒載作用下連拱剩余的水平推力（見圖2）。廣州丫髻沙大橋、武漢市江漢五橋、南昌生米大橋即采用自平衡連拱體系，其總體設(shè)計參數(shù)、構(gòu)造形式見表2。

圖1 單跨無鉸拱體系

表1 已建有推力單拱體系大跨度中承式拱橋總體設(shè)計參數(shù)及構(gòu)造形式

圖2 自平衡連拱體系

表2 已建自平衡連拱體系大跨度中承式拱橋設(shè)計參數(shù)及構(gòu)造形式

1.3 自平衡剛構(gòu)式連拱體系

邊跨主梁與邊拱肋、橋面以下主拱肋、拱上立柱組成剛性三角區(qū)，主梁為承受軸向壓力與豎向彎曲的壓彎構(gòu)件；橋面以上主拱肋與三角剛構(gòu)在拱、梁處固結(jié)成為一體；中跨系梁通過豎吊桿懸吊在主拱圈上,可通過牛腿與邊跨形成簡支掛孔結(jié)構(gòu)，也可在與主拱及中橫梁相交處設(shè)置支座、伸縮縫及阻尼器,成為一個獨立的漂浮體系，無軸向壓力,只承受豎向彎曲；在兩邊跨端橫梁間張拉水平拉索，相當(dāng)于系梁的體外索，通過張拉橋面預(yù)應(yīng)力索，可使中墩基礎(chǔ)的水平反力在恒載作用下趨于0，只承受溫度、車輛等活載產(chǎn)生的水平推力，如圖3所示。上海盧浦大橋即采用該種結(jié)構(gòu)體系，其總體設(shè)計參數(shù)、構(gòu)造形式見表3。

圖3 自平衡剛構(gòu)式連拱體系

1.4 剛構(gòu)與下承式拱組合體系

與剛構(gòu)掛孔體系類似，邊跨主梁與邊拱肋、橋面以下主拱肋組成剛性三角區(qū)，根據(jù)邊主梁的承載情況確定是否設(shè)置拱上立柱，邊跨“剛構(gòu)”相對于拱座，具有強(qiáng)大的剛度，為主跨中間鋼拱肋提供延性支撐，減小主拱跨度；橋面以上主拱肋與三角剛構(gòu)在拱、梁處固結(jié)成為一體或通過牛腿支承在兩邊剛性三角區(qū)上。

不同之處為，通過張拉中跨間系桿平衡主拱的水平推力，橋面以上主拱肋與中跨主梁形成下承式系桿拱橋；而邊跨系桿一部分用于平衡主拱的水平推力，另外一部分作為三角剛構(gòu)的體外預(yù)應(yīng)力平衡作用在前懸臂上的集中作用力，如圖4所示。重慶菜園壩長江大橋、廣州新光大橋即為此種體系，其總體設(shè)計參數(shù)、構(gòu)造形式見表3。

圖4 剛構(gòu)與下承式拱組合體系

表3 已建剛構(gòu)體系大跨中承式拱橋設(shè)計參數(shù)及構(gòu)造形式

1.5 具有梁橋支承體系的連拱結(jié)構(gòu)

主梁分別在與邊拱肋、主拱肋交匯處固結(jié)，另外通過立柱、吊桿與拱肋相連，做成拱梁固結(jié)體系。在構(gòu)造上可以處理成完全無水平多余約束或在成橋后才形成多余約束兩種方式。因此，即使有水平多余約束也在橋梁建成后起作用，而大部分永久荷載并不引起水平推力。從結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力情況來看，荷載在拱與梁中產(chǎn)生的內(nèi)力大部分轉(zhuǎn)變?yōu)樗鼈冎g所形成的自平衡體系的相互作用力；拱的水平推力與梁的軸向拉力相互作用，拱與梁截面的總彎矩等效為主要由拱受壓、梁受拉的受力形式，剪力則主要成為拱壓力的豎向分力，如圖5所示。該體系用于剛度要求較高的大跨度橋梁時，常見于中承式連續(xù)鋼桁架拱橋，如剛建成的重慶朝天門長江大橋、南京大勝關(guān)長江大橋，其總體設(shè)計參數(shù)、構(gòu)造形式見表4。

圖5 具有連續(xù)梁橋支承體系的連拱結(jié)構(gòu)

表4 已建具有梁橋支承體系的連拱結(jié)構(gòu)大跨中承式拱橋設(shè)計參數(shù)及構(gòu)造形式

2 結(jié)語

本文將大跨度中承式拱橋的結(jié)構(gòu)體系歸結(jié)為有推力單拱體系、自平衡連拱體系、自平衡剛構(gòu)式連拱體系、剛構(gòu)與下承式拱組合體系、具有梁橋支承體系的連拱結(jié)構(gòu)等5種結(jié)構(gòu)體系，并分析了這5種結(jié)構(gòu)體系的受力、傳力規(guī)律。結(jié)合已建實際工程案例，總結(jié)了各體系總體設(shè)置參數(shù)及構(gòu)造形式。通過本文，希望可以加強(qiáng)對中承式拱橋結(jié)構(gòu)體系更高層面上的認(rèn)識，了解中承式拱橋不同結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)特性，亦可為大跨度中承式拱橋設(shè)計提供參考。

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