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(jì)研究院，天津市 300051；2.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，上海市 200092）

0 引言

在目前的大跨度橋梁設(shè)計(jì)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(diǎn)和廣泛的適用場(chǎng)合。許多拱橋?yàn)楸苊鈨砂稑蚺_(tái)及基礎(chǔ)的水中施工困難和拱肋防撞問(wèn)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(wú)法采用上承式，而多采用中承式。

海諾·嗯戈?duì)枌⒔Y(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(duì)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(duì)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(guò)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(duì)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(lái)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(gè)具體構(gòu)件上，缺乏對(duì)中承式拱橋結(jié)構(gòu)體系的系統(tǒng)分類(lèi)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(shí)際工程案例，總結(jié)各體系總體設(shè)計(jì)參數(shù)及構(gòu)造形式，供類(lèi)似設(shè)計(jì)參考。

1 大跨度中承式拱橋結(jié)構(gòu)體系

通過(guò)對(duì)已建大跨度中承式拱橋的構(gòu)造形式、受力特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)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(guò)其拱腳傳給墩臺(tái)與基礎(chǔ)。單拱體系拱橋按照主拱的靜力特點(diǎn)又可分為三鉸拱、兩鉸拱和無(wú)鉸拱，而單跨中承式拱橋多采用有推力的無(wú)鉸拱體系。無(wú)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(tái)位移均會(huì)在拱內(nèi)產(chǎn)生較大附加力，所以無(wú)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(huì)隨著跨徑增大而相對(duì)減小，故無(wú)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(mén)金沙江大橋、重慶巫山巫峽長(zhǎng)江大橋即采用該種體系。其總體設(shè)計(jì)參數(shù)、構(gòu)造形式見(jiàn)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(shí)，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(wú)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(guò)邊拱來(lái)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(lái)平衡恒載作用下連拱剩余的水平推力（見(jiàn)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(jì)參數(shù)、構(gòu)造形式見(jiàn)表2。

圖1 單跨無(wú)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(jì)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(jì)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(guò)豎吊桿懸吊在主拱圈上,可通過(guò)牛腿與邊跨形成簡(jiǎn)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(gè)獨(dú)立的漂浮體系，無(wú)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(guò)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(chē)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(jì)參數(shù)、構(gòu)造形式見(jiàn)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(lèi)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(duì)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(guò)牛腿支承在兩邊剛性三角區(qū)上。

不同之處為，通過(guò)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(zhǎng)江大橋、廣州新光大橋即為此種體系，其總體設(shè)計(jì)參數(shù)、構(gòu)造形式見(jiàn)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(jì)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(guò)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(wú)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(lái)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(shí)，常見(jiàn)于中承式連續(xù)鋼桁架拱橋，如剛建成的重慶朝天門(mén)長(zhǎng)江大橋、南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋，其總體設(shè)計(jì)參數(shù)、構(gòu)造形式見(jiàn)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(jì)參數(shù)及構(gòu)造形式

2 結(jié)語(yǔ)

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(shí)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(guò)本文，希望可以加強(qiáng)對(duì)中承式拱橋結(jié)構(gòu)體系更高層面上的認(rèn)識(shí)，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(jì)提供參考。

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