基于復雜工況的跨運河鋼拱橋抗拔螺桿受力性能研究

林來玉，俞 超，陳健圣

（上海新暢園林市政建筑工程有限公司，上海市 201204）

0 引言

拱橋在中國歷史悠久，由于其結構形式多樣、造型美觀、剛度較大等特點，長期以來一直是主要橋型之一。即使在橋型選擇日益豐富的近30年大建設時期，拱橋在中國仍有大量修建，并在設計、施工等方面取得了舉世矚目的成績。按照主拱的建筑材料劃分的四類拱橋的跨徑紀錄均在中國，分別是主跨徑146 m的山西丹河新橋（石拱橋）、主跨徑420 m的萬州（縣）長江大橋（鋼筋混凝土拱橋）、主跨徑460 m的巫峽長江大橋（鋼管混凝土拱橋）和主跨徑552 m的重慶朝天門大橋（鋼拱橋）。在拱橋施工技術方面，世界上各種拱橋施工方法在中國幾乎均有應用，其中水平轉體施工、大跨徑和大噸位的懸臂拼裝等技術為中國特有的施工技術[1～2]。隨著社會發展與橋梁技術水平的提高，曾經是主要橋型的石拱橋日益減少，鋼拱橋、鋼管混凝土拱橋和混凝土拱橋（包括鋼筋混凝土拱橋和預應力混凝土拱橋）已成為中國近幾十年來的三大主要橋型。

本文介紹的樣本橋梁為大跨度中承式跨運河的鋼拱橋，由主拱、主梁、鋼螺桿、吊桿幾部分組成，跨徑布置為（30+25+210+25+30）m，主橋立面布置圖如圖1所示。主跨分為主次梁，形成縱橫平面梁格，邊跨為整體正交異性鋼箱梁。由于邊跨上拔力較大，此處設鋼螺桿，邊跨箱梁內部灌有混凝土起到壓重作用[3～5]。主跨跨度較長，邊跨較短，邊跨的上撓比較大，此處的鋼螺桿起到了關鍵作用，因此也成為全橋的生命線。本文主要通過對復雜鋼拱橋的介紹，分析鋼螺桿的作用，為此類橋梁的建造提供技術支撐。

圖1 橋梁布置圖（單位：m）

1 鋼螺桿結構

大橋的鋼螺桿采用箱型截面，螺桿的鋼板厚度為120 mm，兩側各設置四道，位于主次梁的位置，其端部采用銷鉸構造與梁體及基礎預埋鋼板連接，用來承受軸向拉力和壓力。螺桿處基礎采用承臺加抗拉拔樁形式，螺桿樁基擬每樁在合適的土層處采用多支盤護孔樁加強其抗拔力，在相應承臺基礎內設置PBL剪力鍵埋入式柱腳構造，以利傳遞較大的拉力及剪力。鋼螺桿的結構構造如圖2所示。

根據螺桿構造圖，按照鋼結構規范的穩定計算得到，鋼螺桿的最大抗拉能力為1 000 t，最大抗壓能力為700 t。

2 計算模型

根據設計圖紙和相關參數，采用有限元軟件Midas/Civil建立的全橋計算模型，如圖3所示。計算模型共有2 420個節點、3 430個單元，主拱和主梁固結。鋼螺桿上端與主梁共節點，下端6個自由度全部固定。斜撐頂節點與主梁剛性連接，斜撐底和拱腳底共節點。大橋一側拱腳固結，另一側拱腳釋放縱橋向約束。

圖2 鋼螺桿構造圖（單位：mm）

圖3 計算模型圖

3 鋼螺桿作用分析

大橋采用了大噸位鋼螺桿結構，這種特殊結構的受力性能將直接影響全橋的受力性能。本文通過建立兩種受力狀態，即橋梁不設置螺桿和橋梁設置四根螺桿，來分析鋼拱橋鋼螺桿的作用。

3.1 防止邊跨出現負反力

通過模型計算結果可知，當橋梁設置鋼螺桿時，在一次成橋狀態下，邊跨外側支座反力為111 t，內側支座反力為194.9 t，均受壓；當橋梁不設置螺桿時，在一次成橋狀態下邊跨外側支座反力為23.6 t（受壓），內側支反力為-24.5 t（受拉）。由此可見，在橋梁設計荷載作用下，邊跨將出現較大的負反力，常規的抗拉支座難以實現，所以需要在邊跨設置螺桿來承受支座負反力。

3.2 降低斜撐頂附近的主梁彎矩

通過模型計算得到一次成橋狀態下斜撐頂附近的主梁彎矩，如圖4所示。

圖4 兩種受力狀態下斜撐頂附近主梁彎矩（單位：kN·m）

由圖4可知，在兩種受力狀態下，設置螺桿和不設置螺桿斜撐頂附近主梁彎矩Mx和Mz數值較小且接近，但是不設置螺桿時主梁的彎矩My比設置螺桿時要大很多，所以設置螺桿可以有效的降低斜撐頂附近的主梁彎矩。

3.3 提高全橋整體穩定性

全橋成橋階段整體彈性穩定分析共考慮恒載和恒載+風荷載兩種工況。橋梁設置螺桿和不設置螺桿狀態下兩種工況的失穩模態和穩定系數見表1。橋梁設置螺桿和不設置螺桿狀態下兩種工況的一階失穩圖如圖5～8所示。

表1 兩種狀態下兩種工況的失穩模態和失穩系數

圖5 不設置螺桿時恒載全橋一階失穩圖

圖6 設置螺桿時恒載全橋一階失穩圖

圖7 不設置螺桿時恒載+風荷載全橋一階失穩圖

圖8 設置螺桿時恒載+風荷載全橋一階失穩圖

由表1和圖5～8可知，當設置螺桿時全橋整體彈性穩定性增強，穩定系數提高。因為主拱和主梁固結，主拱的穩定就要求主梁的扭轉角度很小。設置螺桿時可以約束主梁的扭轉，從而提高全橋的整體穩定性。

4 螺桿處于不同位置對全橋受力的影響

在一次成橋狀態下，螺桿的位置對全橋受力的影響共考慮三種工況：

（1）設計位置外移2.1 m；（2）原設計位置；

（3）設計位置內移3 m。

4.1 三種工況各受力構件應力對比

三種工況下拱肋、拱間橫連、拱腳拱箱、主次縱梁和斜撐的應力見表2。

表2 三種狀況下各受力構件應力包絡表 MPa

由表2可以看出螺桿處于不同位置時對橋梁各構件的應力的影響。當螺桿布置得與斜撐靠近，拱肋、拱間橫連和主次縱梁的應力就越低，拱腳拱箱和邊斜撐的應力就會增加；而中斜撐的應力最大值增加，應力最小值降低。螺桿布置得太近，拱腳拱箱和邊斜撐在強度設計上便難以滿足規范要求，而且構造上沒有足夠的空間，不易實現；當螺桿布置得太遠，拱肋、拱間橫連和主次縱梁的應力增加較多，用鋼量就越大，橋梁的自重就越大。

4.2 三種工況螺桿內力對比

根據模型的計算結果，三種工況下螺桿內力如圖9所示。

圖9 三種工況下螺桿內力圖（單位：kN）

由圖9可以看出，當螺桿布置與斜撐越近，螺桿所起的作用就越直接，螺桿力越大。

4.3 三種工況吊桿力對比

通過模型計算得到三種工況下的吊桿力的最大值與最小值，見表3。

表3 三種狀況下吊桿力極值 kN

由表3可知，當螺桿布置與斜撐越近，吊桿力越小。三種工況下吊桿力的最大值和最小值都比較接近，但是由模型結果得到第1種工況與第2種工況吊桿力的最大差值為7.6 kN，第3種工況與第2種工況吊桿力的最大差值為12.2 kN。

5 結語

（1）該橋邊跨相對主跨較小，在邊墩會出現很大的支座負反力，特設置螺桿墩位來防止邊跨負反力的出現。

（2）該橋在設計荷載作用下斜撐結構將產生巨大的反力，從而導致斜撐頂位置的主梁產生較大彎矩。為降低該彎矩，可在斜撐頂附近主次縱梁對應的位置設置鋼螺桿。

（3）該橋的整體穩定是該工程的一個控制問題，其主拱穩定是靠主拱與主梁的螺桿。主拱的穩定要求主梁的扭轉角度很小，因此，橫橋向布置的四個螺桿是該橋穩定的關鍵點。

（4）螺桿的布置是設計時需要考慮的問題。當螺桿布置得靠近斜撐，拱肋、拱間橫連和主次縱梁的應力就有所降低，拱腳拱箱和邊斜撐的應力就會增加；而中斜撐的應力最大值增加，應力最小值降低。螺桿布置得太近，拱腳拱箱和邊斜撐在強度設計上就難以滿足規范要求，而且構造上沒有足夠的空間，不易實現；當螺桿布置得太遠，拱肋、拱間橫連和主次縱梁的應力增加較多，用鋼量就越大，橋梁的自重就越大，應力增加快，容易陷入增大截面尺寸，自重增大，應力難以下降的循環中，所以螺桿處于不同位置對橋梁受力有很大影響。

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