無推力斜靠式拱橋設(shè)計(jì)

摘 要：文章主要以A橋?yàn)槔龑?duì)無推力斜靠式拱橋的設(shè)計(jì)情況進(jìn)行分析。先介紹了A橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并從三方面對(duì)拱橋的設(shè)計(jì)方案，以及對(duì)該拱橋的受力情況進(jìn)行簡(jiǎn)單分析，為今后無推力斜靠式拱橋的設(shè)計(jì)工作提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：無推力斜靠式拱橋；設(shè)計(jì)；分析

斜靠式拱橋是一種由兩個(gè)部分共同組成的受力體系，一部分為中間豎直主拱，一部分為兩邊斜靠拱組，它們兩者共同建立起空間穩(wěn)定體系，使拱橋結(jié)構(gòu)得以穩(wěn)定。這種橋不設(shè)風(fēng)撐，其主要受力結(jié)構(gòu)是平行拱肋，從整體來看橋面開闊、暢通。A橋是近年來修建的斜靠式拱橋，該拱橋在設(shè)計(jì)過程中使用了良好的設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了拱橋的無推力式結(jié)構(gòu)，文章以A橋的建設(shè)工程為背景，對(duì)無推力斜靠式拱橋的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和研究。

1 A橋工程概述

A橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，系桿拱為該橋的主要受力結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為中間敞開式。橋主跨110m，主拱和斜靠拱用橫梁聯(lián)系起來，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。主拱的拱軸線y=（4f/L2）×x（L-x），斜拱拱軸線的設(shè)計(jì)也是如此。該橋橫向?qū)挾仍?8m～60.9m之間變化，其中主墩處窄，變化至跨中處而逐漸變寬。主拱肋為鋼筋砼結(jié)構(gòu)，以正三角形形狀作為截面，拱肋高約2m，主要由大、小鋼管和鋼封板等材料焊接而成。大鋼管內(nèi)罐砼，其型號(hào)為C40。斜拱肋截面也為正三角形，但其管內(nèi)沒有砼。兩中拱之間設(shè)有橫撐，呈一字式排開，數(shù)量為13道，很好的保證了整體結(jié)構(gòu)性能。主拱系梁選用鋼箱梁，用于平衡水平推力。斜拱系桿則選取高質(zhì)量的鋼絞線，橋面系選用疊合梁并鋪有瀝青砼。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

無推力斜靠式拱橋根據(jù)無推力主體的不同又分為兩種結(jié)構(gòu)。一種是在施工條件良好的前提下對(duì)主拱進(jìn)行無推力設(shè)計(jì)，而斜拱則用有推力的設(shè)計(jì)方式進(jìn)行施工；另一種是當(dāng)?shù)匦螌?duì)拱橋修建要求較高時(shí)可對(duì)主拱和斜拱都進(jìn)行無推力設(shè)計(jì)，以協(xié)調(diào)兩者。A橋由于修建地段地質(zhì)不佳，因此在進(jìn)行施工設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算人員選擇了以無推力的設(shè)計(jì)方式對(duì)拱橋進(jìn)行施工。其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：（1）斜拱向內(nèi)傾斜，度數(shù)為25度，它與主拱間以梁相連，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固。（2）主拱施工方法為先固結(jié)后鉸接，這能夠平衡局部受力問題，斜靠拱拱腳的施工方法則與主拱施工順序相反。（3）主跨部分設(shè)計(jì)成自平衡體系，以主系梁克服水平推力。（4）通過橫端梁及拉索來解決各拱的變形協(xié)調(diào)。（5）主拱、斜拱共同荷載部分挑梁，此外主拱主要荷載行車道，而斜拱則荷載其它力，如人群等。（6）為確保外觀美觀，A橋在梁與斜拱交接處使用了拱腿，是其從整體看來更具曲線美。

2.2 設(shè)計(jì)方案

第一，拱圈結(jié)構(gòu)。A橋主、斜拱圈斷面均為正三角形，其中拱肋外側(cè)的正三角形由封鋼板連成，其厚度為14mm，其三個(gè)頂點(diǎn)位置均有一根無縫鋼管，尺寸為Ф219×16mm。這一結(jié)構(gòu)中內(nèi)部拱圈直徑為Ф1050（見圖2，單位：mm）。其中，主拱圈和斜拱圈的矢跨比分別為1/4和1/3.873。第二，拉索。主拱吊桿和斜拱吊桿采用了不同的鋼制品，前者使用高強(qiáng)平行鋼絲索，而后者則使用了耐腐性強(qiáng)的鋼絲繩2根。這些材料在縱向上的間距相同，工程設(shè)置成3m。細(xì)桿拉索全橋工8束，主要的使用材料為環(huán)氧涂層高教線。第三，橋面系。該橋的橋面主要有兩部分組成。一是鋼梁部分，它是橋面系的主體框架，由各式梁組成，如橫梁、縱梁等；其中鋼主系梁寬和高的設(shè)計(jì)分別為2m和2.3m，橫梁與挑梁、縱梁的連接處裝有剪力釘已增加橋體穩(wěn)定。二是砼橋面板部分。該橋在機(jī)動(dòng)車道和人行道上對(duì)其厚度的設(shè)計(jì)分別為23cm和17cm，以現(xiàn)澆的方式通過接縫處借助施工，最后同鋼梁結(jié)構(gòu)結(jié)合為一體。

2.3 主橋結(jié)構(gòu)的確定

傳統(tǒng)的斜靠式拱橋由中承式組合，其適用前提為地質(zhì)條件良好。由于A橋的建址處為軟土地基，適用傳統(tǒng)工程不僅耗費(fèi)巨大，且在結(jié)構(gòu)受力問題方面也面臨著一系列技術(shù)難題。因此，A橋在修建時(shí)對(duì)主拱和斜拱都進(jìn)行了無推力設(shè)計(jì)。主拱下設(shè)主梁，作為主要的受力結(jié)構(gòu)，斜靠拱則裝置有克服水平推力的水平桿系，同時(shí)下設(shè)小縱梁來平衡主拱、斜拱剛度。整個(gè)橋以橫梁為銜接將各拱聯(lián)系在一起并承擔(dān)橫向水平力，主拱吊索和斜拱吊索分別被錨固在主梁內(nèi)和挑梁上，用來吊住景觀臺(tái)及其他橋面設(shè)施。經(jīng)計(jì)算表面，其體系設(shè)計(jì)科學(xué)合理且經(jīng)濟(jì)使用性也較強(qiáng)。

3 參數(shù)分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 參數(shù)分析

無推力斜靠式拱橋空間效應(yīng)明顯，加之結(jié)構(gòu)新型，組織復(fù)雜，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)必須要解決好內(nèi)力分配問題，降低拱面外彎矩。靜力分析拱橋結(jié)構(gòu)旨在確保拱橋在受力狀態(tài)下安全性能良好，因此A橋在設(shè)計(jì)時(shí)依據(jù)自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇矢跨比作為參考參數(shù)，輔助拱粱剛度參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)思考。根據(jù)實(shí)際情況分析，A橋設(shè)計(jì)人員利用了ANSYS，依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙?jiān)谌珮驐U件聯(lián)結(jié)的多個(gè)部位采點(diǎn)，然后將這些節(jié)點(diǎn)按單元進(jìn)行劃分，對(duì)節(jié)點(diǎn)處各梁的構(gòu)造、橋面板、桿系結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行梁?jiǎn)卧M、空間殼單元模擬和空間桿單元模擬。

3.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

在進(jìn)行主拱、斜拱連接處的設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員不僅考慮到了A橋的體強(qiáng)度問題，還考慮到了橋體整體性及施工便捷性等問題。通常情況下，橫向聯(lián)系越多施工越是不易，而整體性能穩(wěn)定又需要增加橫梁。針對(duì)上述情況，A橋在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)將目標(biāo)定在了橫向聯(lián)系上，以其最小值為標(biāo)準(zhǔn)在保證安全系數(shù)的基礎(chǔ)之上來進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。此外，拉索錨固區(qū)域在A橋中也出現(xiàn)較多，在設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)人員從整體把握，保證錨固時(shí)錨固構(gòu)件與橋梁整體結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)一致，確保操作可行、受力合理。

4 結(jié)束語

綜上所述，拱橋設(shè)計(jì)應(yīng)兼具美觀與實(shí)用才能充分體現(xiàn)出它們的建造效益。無推力斜靠式拱橋作為一種新穎橋型不僅造型美觀，同時(shí)也是可以在軟土地基中施工建造的橋梁，具有很好的適用性。此外，由于新穎，其結(jié)構(gòu)構(gòu)造也必定有所創(chuàng)新，故在今后的設(shè)計(jì)中還望能對(duì)無推力斜靠式拱橋的受力、施工等環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，促進(jìn)我國橋梁事業(yè)在設(shè)計(jì)創(chuàng)新方面有更進(jìn)一步的發(fā)展。

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