混凝土T構(gòu)-拱組合體系結(jié)構(gòu)性能研究

陳 征，唐春艷，李文武

(大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024)

拱橋以跨越能力大、結(jié)構(gòu)形式多樣、外形輪廓柔和、易于與周邊景觀協(xié)調(diào)搭配等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)基礎(chǔ)條件較差時(shí)，無(wú)推力的系桿拱橋是較優(yōu)越的橋型。根據(jù)橋面位置不同，系桿拱橋可分為上承式、中承式和下承式。目前，已建的絕大多數(shù)無(wú)推力系桿拱橋都是中、下承式。下承式系桿拱橋按上下結(jié)構(gòu)聯(lián)接方式不同分為2種：一種是簡(jiǎn)支梁拱組合體系橋梁，如德國(guó)Kaiserlei橋[1]、丹東月亮島大橋[2]，由于簡(jiǎn)支梁拱組合體系的拱腳豎直面內(nèi)轉(zhuǎn)角無(wú)約束，在活載作用下拱腳處豎直面轉(zhuǎn)角較大，拱肋豎向變形大，故其經(jīng)濟(jì)跨徑為300 m左右；一種是剛架系桿拱橋，如宜昌長(zhǎng)江鐵路大橋[3]、四川旺蒼東河大橋、武漢市晴川橋。由于剛架系桿拱的主拱與下部結(jié)構(gòu)固結(jié)，當(dāng)跨徑較大時(shí)，體系溫度、混凝土收縮徐變等將在墩頂產(chǎn)生較大的水平位移，故剛架系桿拱的跨徑也不宜過(guò)大。對(duì)于中承式的系桿拱橋，如盧浦大橋[4]、朝天門長(zhǎng)江大橋[5]，跨徑均超過(guò)500 m，是大跨度拱橋常見的一種結(jié)構(gòu)形式。然而中承式系桿拱橋的橋面高程較高，對(duì)于城市景點(diǎn)、旅游等構(gòu)筑物密集地區(qū)，修建此類拱橋時(shí)，引道工程量較大，將破壞周邊環(huán)境。因此針對(duì)基礎(chǔ)條件差并且橋面高程受到嚴(yán)格限制的特定建橋條件，本文提出一種改進(jìn)的下承式系桿拱橋——T構(gòu)-拱組合體系橋梁。

1 混凝土T構(gòu)-拱組合體系橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 主橋結(jié)構(gòu)體系

盤錦某拱橋設(shè)計(jì)方案采用主橋跨徑組合為(65+380+65)m的空間提籃下承式系桿拱橋，見圖1(圖1中長(zhǎng)度單位為m)。主橋拱肋理論跨徑為380 m，矢高為75.65 m，矢跨比為l/5.023，設(shè)計(jì)拱軸線采用二次拋物線。主梁為混凝土和鋼混合結(jié)構(gòu)，即由58 m預(yù)應(yīng)力混凝土懸臂箱梁+264 m鋼-混凝土結(jié)合梁+58 m預(yù)應(yīng)力混凝土懸臂箱梁組成。主橋邊跨采用跨徑為65 m的預(yù)應(yīng)力混凝土懸臂箱梁結(jié)構(gòu)，懸臂端部設(shè)置縱向滑動(dòng)支座。邊跨混凝土懸臂梁、主跨混凝土懸臂梁和橋墩固結(jié)，形成T形剛構(gòu)。T形剛構(gòu)和鋼混凝土結(jié)合梁通過(guò)T構(gòu)懸臂端的牛腿構(gòu)造連接在一起，同時(shí)牛腿處設(shè)置縱向滑動(dòng)支座、橫向限位支座、縱向彈簧阻尼限位裝置。為防止支座脫空，縱向滑動(dòng)支座采用特殊的拉壓支座。拱肋和混凝土T構(gòu)剛接，以約束拱腳在豎直面內(nèi)的轉(zhuǎn)角。同時(shí)，在鋼混凝土結(jié)合梁和混凝土T構(gòu)之間設(shè)置伸縮縫，以減小溫度作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

圖1 盤錦某拱橋方案

鋼混凝土結(jié)合梁通過(guò)吊桿懸掛在拱肋上。吊桿作為力的傳遞構(gòu)件，將作用于鋼主梁的豎向荷載傳遞至拱肋，拱肋再將荷載傳遞給基礎(chǔ)。為了減小鋼梁端吊桿的疲勞應(yīng)力，在混凝土T構(gòu)懸臂段設(shè)置3對(duì)吊桿。同時(shí)，這3對(duì)吊桿還能為T構(gòu)懸臂端提供有效支撐，起到改善拉壓支座受力的作用。混凝土T構(gòu)的根部布置水平拉索，以平衡拱肋的水平推力。

與剛架系桿拱橋相比，結(jié)合梁和混凝土懸臂梁之間的連接釋放了軸力和彎矩，能夠減小混凝土收縮徐變和溫度作用對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響。與簡(jiǎn)支梁拱組合體系相比，混凝土T構(gòu)能有效約束拱腳豎直面內(nèi)的轉(zhuǎn)角，從而減小拱肋的豎向變形、提高結(jié)構(gòu)剛度。與中承式的系桿拱橋相比，T構(gòu)-拱組合體系的橋面高程較低，能夠減小引道的工程數(shù)量，易于與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)，并且無(wú)需設(shè)置大噸位支座。

1.2 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與構(gòu)造

1)拱肋。主橋拱肋為鋼拱肋，拱肋軸線總體內(nèi)傾8°。距拱腳5 m(水平距離)以內(nèi)拱肋為箱形等截面3.2 m×7.0 m， 其余段拱肋為箱形變截面，由拱腳3.2 m×7.0 m變化至拱頂3.2 m×4.5 m。主跨以拱頂為對(duì)稱中心，共設(shè)置 15道橫撐，其中拱腳至1/4拱跨處各設(shè)置3道“K”字形橫撐，拱頂處設(shè)置9道“一”字形橫撐。

2)吊桿。主梁承受的車輛和人群荷載通過(guò)吊桿傳遞給拱肋。吊桿采用鍍鋅高強(qiáng)平行鋼絲吊桿，外設(shè)PE護(hù)套。吊桿間距9.9 m，布置形式為縱向雙吊桿。全橋共有吊桿32對(duì)，鋼主梁處的26對(duì)吊桿采用Φ7-85型，混凝土主梁處的6對(duì)吊桿采用Φ7-127型。

3)水平拉索。作為系桿，水平拉索承受拱肋強(qiáng)大的水平推力。水平拉索分2組布置，每組由6根拉索組成，放置于梁內(nèi)，以支架支撐。拉索采用成品Φ7-379型平行鋼絲索，總索力為105 MN。水平拉索錨固在混凝土T構(gòu)根部。

4)鋼主梁。主跨跨中264 m范圍內(nèi)的主梁為鋼-混凝土結(jié)合梁結(jié)構(gòu)。鋼主梁為全焊扁平流線型鋼箱梁，橋梁中心線處梁高3.5 m，梁寬43.5 m，材質(zhì)為Q345D鋼材。混凝土橋面板厚0.06 m，橋面板通過(guò)剪力釘與鋼主梁結(jié)合在一起。

5)混凝土T構(gòu)。T構(gòu)根部7.5 m區(qū)段處的混凝土梁為等截面箱梁結(jié)構(gòu)，梁高8 m。左懸臂段長(zhǎng)度為61.15 m，為變截面箱梁結(jié)構(gòu)，梁高為3.5～8 m；右懸臂段長(zhǎng)度為58 m，梁高為4.0～8 m。T構(gòu)懸臂段的梁寬為43.5 m，為安放拱座，將T構(gòu)根部28.8 m區(qū)段處梁寬加寬至51.2 m。

2 T構(gòu)-拱組合體系力學(xué)性能分析

為了探索T構(gòu)-拱組合體系在力學(xué)上的優(yōu)勢(shì)，建立對(duì)比研究的簡(jiǎn)支梁拱組合體系模型：去掉邊跨，并將伸入主跨的混凝土T構(gòu)懸臂段換成與T構(gòu)-拱組合體系橋梁相同截面的鋼主梁；在左右兩端拱腳處各增加一對(duì)Φ7-127型吊桿，吊桿間距不變；梁拱端節(jié)點(diǎn)剛接，并在拱腳處設(shè)置支座與橋墩相連，其它設(shè)計(jì)參數(shù)不變，即形成了比較分析的簡(jiǎn)支梁拱組合體系。

2.1 靜力性能分析

2種體系在恒載+汽車荷載+溫度作用組合下拱肋的應(yīng)力結(jié)果見圖2。在汽車荷載作用下，拱肋的豎向位移結(jié)果見圖3。其中應(yīng)力給出的是對(duì)應(yīng)截面的最大應(yīng)力(規(guī)定應(yīng)力以壓為正；位移以向下為正)。

圖2 恒載+汽車荷載+溫度作用組合下拱肋截面最大應(yīng)力 圖3 汽車荷載作用下拱肋的豎向位移

1)拱肋應(yīng)力結(jié)果與分析

從圖2可以看出，在恒載+汽車荷載+溫度組合作用下，與簡(jiǎn)支梁拱組合體系相比，T構(gòu)-拱組合體系拱肋的應(yīng)力除拱頂外，在全橋范圍內(nèi)都有較大幅度的降低，其中約在1/4跨度處，降幅最大，此處T構(gòu)-拱組合體系拱肋的應(yīng)力為簡(jiǎn)支梁拱組合體系拱肋應(yīng)力的72.6%，降幅達(dá)27.4%。2種拱橋的拱肋應(yīng)力峰值均出現(xiàn)在拱腳附近，其中T構(gòu)-拱組合體系的拱肋應(yīng)力峰值為153.6 MPa，為簡(jiǎn)支梁拱組合體系拱肋應(yīng)力峰值的93.2%，降幅為6.8%。由此可見，混凝土T構(gòu)的存在明顯改善了拱肋的受力。其主要原因是，作用于混凝土懸臂的豎向荷載直接通過(guò)橋墩傳遞給基礎(chǔ)，很大程度上減小了拱肋的受力。T構(gòu)-拱組合體系拱頂處的應(yīng)力比簡(jiǎn)支梁拱組合體系大，其原因是對(duì)于T構(gòu)-拱組合體系，拱肋和混凝土T構(gòu)固結(jié)，拱肋不能自由變形，當(dāng)體系升溫時(shí)，拱頂處將產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，而對(duì)于簡(jiǎn)支梁拱組合體系，拱肋和主梁在溫度作用下能夠一起伸縮變形，體系的升降溫對(duì)拱肋的內(nèi)力幾乎沒有影響。然而，前者拱頂截面處的應(yīng)力仍小于后者其它截面處的應(yīng)力，拱頂處的應(yīng)力并不是拱肋的設(shè)計(jì)控制應(yīng)力，所以，從設(shè)計(jì)角度看，T構(gòu)-拱組合體系仍然比簡(jiǎn)支梁拱組合體系優(yōu)越。

2)拱肋豎向位移結(jié)果與分析

從圖3可以看出，在全橋范圍內(nèi)，T構(gòu)-拱組合體系拱肋與簡(jiǎn)支梁拱組合體系的豎向位移曲線變化趨勢(shì)比較接近，從拱腳到拱頂，拱肋的豎向位移絕對(duì)值先增大后減小。其中，T構(gòu)-拱組合體系拱肋的最大豎向位移為83 mm，出現(xiàn)在3/8L附近，簡(jiǎn)支梁拱組合體系拱肋豎向最大位移為292 mm，出現(xiàn)在1/4L處。T構(gòu)-拱組合體系拱肋的最大豎向位移相當(dāng)于簡(jiǎn)支梁拱組合體系的28.4%。由此可見，在不增加截面尺寸的情況下，混凝土T構(gòu)的設(shè)置顯著地提高了結(jié)構(gòu)的豎向剛度，其主要原因是混凝土T構(gòu)和拱腳固結(jié)，有效約束拱腳在豎直面內(nèi)的轉(zhuǎn)角，從而減小拱肋的豎向變形。并且，從經(jīng)濟(jì)方面看，伸入主梁的混凝土懸臂段取代了鋼主梁，減小了主梁的用鋼量，降低了工程造價(jià)。因此，T構(gòu)-拱組合體系能夠提高拱結(jié)構(gòu)的跨越能力。

2.2 動(dòng)力性能分析

對(duì)2種體系進(jìn)行動(dòng)力特性分析，自振特性和振型描述見表1，前5階振型圖如圖4，5所示。

分析結(jié)果表明： 1)T構(gòu)-拱組合體系橋梁一階振型為鋼主梁的縱飄，這主要是鋼主梁與混凝土懸臂連接處設(shè)置了縱向的滑動(dòng)支座，釋放了水平約束所致。2)簡(jiǎn)支梁拱組合體系一階振型為面內(nèi)反對(duì)稱振動(dòng)，與T構(gòu)-拱組合體系二階振型相同，但是二者頻率相差很大。說(shuō)明T構(gòu)-拱組合體系的面內(nèi)剛度比簡(jiǎn)支梁組合體系大。3)簡(jiǎn)支梁拱組合體系面外側(cè)傾振動(dòng)頻率為0.483 Hz，而T構(gòu)-拱組合體系為0.585 Hz，說(shuō)明后者的面外剛度也比前者的大，這主要是二者的邊界條件不同所致。

表1 2種拱橋結(jié)構(gòu)的前5階振型描述和自振特性

圖4 T構(gòu)-拱組合體系的前5階振型

圖5 簡(jiǎn)支梁拱組合體系的前5階振型

3 結(jié)論

1)混凝土T構(gòu)的設(shè)置，使部分荷載直接通過(guò)混凝土梁傳遞給基礎(chǔ)，改善了拱肋受力，減小了截面尺寸。這不僅能夠節(jié)省鋼材，降低造價(jià)，并且能減小結(jié)構(gòu)自重，增大拱橋的跨越能力；

2)混凝土T構(gòu)的設(shè)置可以在整個(gè)拱跨范圍內(nèi)減小拱肋的豎向位移，尤其是1/4跨度處拱肋的豎向位移。可見混凝土T構(gòu)的設(shè)置顯著增大了拱橋的豎向剛度；

3)T構(gòu)-拱組合體系與簡(jiǎn)支梁拱組合體系相比，面內(nèi)剛度和面外剛度都有顯著提高，這為拱橋向更大跨度發(fā)展提供可能。

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