網狀吊桿拱橋在大跨度重載交通中的應用

段書龍， 鄭國華

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

網狀吊桿拱橋為部分斜吊桿與其他斜吊桿至少交叉二次的加密型尼爾森體系拱橋(圖1)[1]，吊桿相互交叉成網狀，所以也稱為網狀吊桿拱橋。其受力特點和設計構造與豎直吊桿拱橋有較大區別，網狀吊桿拱橋拱肋和系梁承受的彎矩較小，且分布較為均勻，結構剛度大，節省材料，經濟美觀等優點。

圖1 吊桿類型分類

世界上第一座網狀吊桿拱橋是修建于20世紀60年代挪威Steinkjer公路橋，而后網狀吊桿拱橋在歐美和日本得到較大發展。網狀吊桿拱橋跨度一般在400 m以內，橫向寬度在25 m以下，拱肋多采用鋼箱和鋼管結構，系梁也多采用鋼箱結構，部分橋梁也采用組合結構和混凝土結構。

國內網狀吊桿拱橋早期多用于鐵路橋梁，近年在公路上得到推廣，網狀吊桿拱橋整體剛度大，較為適合公路重載交通，因此本文探討網狀吊桿拱橋在重載交通下的應用。

本文以國內某高速公路橋為例，該高速公路為國內東西向國家高速公路網中的重要組成部分，重載車輛密集，因路網改擴建需要擬在該道路上建設一座150 m主跨網狀吊桿拱橋。

1 設計要點

本橋建設標準為雙向八車道，橋梁標準寬度為42 m，左右幅寬20.5 m，中間分隔帶1 m，主橋部分因受拱肋影響，全寬為45.3 m，橫向設置三片拱肋(圖2)。

圖2 主橋標準橫斷面

拱肋與系梁取值同等高度和寬度，邊縱梁(邊拱)1.5 m寬×2.0 m高，中縱梁(中拱)1.8 m寬×2.4 m高。拱肋矢跨比為1/5，拱軸線懸鏈線設計(圖3)。

圖3 上部結構布置圖

吊桿采用梁上錨點等間距布置，等角度設計。吊桿梁上錨點間距7.2 m，角度65°，單拱肋吊桿橫向交錯布置，邊拱肋吊桿橫向間隔50 cm，中拱肋吊桿橫向間隔60 cm(圖4)。

圖3 拱肋吊點示意圖

梁為縱橫梁結構，全橋橫向分布三道主縱梁，主縱梁采用鋼箱結構，每道主縱梁之間設置兩道小縱梁，相鄰主縱梁間距21.9 m，小縱梁間距6.75 m，采用工字型斷面。橫向間隔3.6 m設置一道中橫梁，中橫梁按工字型斷面變高度設計。梁端拱梁結合處各設置一道端橫梁，采用鋼箱結構變高度設計。

橋面板采用26 cm鋼筋混凝土預制板，縱橫向均采用剪力釘和濕接縫與鋼梁連接，橋面板上鋪裝10 cm瀝青混凝土。

吊耳在拱端和梁端均采用叉耳形式，根據吊桿位置不同采用不同的鋼絞線類型(圖5)。

圖4 吊桿大樣圖

2 施工方法

網狀吊桿拱橋施工方法比較多，最常見的是支架拼裝，先梁后拱法施工，該方法在橋下有條件搭設支架的情況下進行，施工簡單，是該類橋梁最常使用的方法，過程中按照施工順序組裝橋梁構件，不存在體系轉換和主要構件的移動，安全可靠，方便快捷。

橋梁施工不具備搭設支架的條件下，可以采用先拱后梁的施工方法，采用臨時吊索拼裝拱肋，然后吊裝法施工主梁，該方法需要較多的臨時措施，施工造價較高，風險性也較大，多用于山區峽谷等地質條件較好的有推力拱。

在通航條件較好，浮吊能力較大的跨河橋梁中，也可以使用浮吊的形式架設拱肋和主梁。

網狀吊桿拱橋因截面尺寸小，結構自重輕，因此比較適合頂推方案。頂推方案分為橫向頂推和縱向頂推兩種，可以根據橋梁狀況擇優選取。該施工方案在拼裝完成后，整體頂推到橋位，施工便捷，節約工期。

本橋的施工采用縱向頂推方案，施工順序如圖5所示。

圖5 施工過程示意圖

施工中，基礎施工與拱橋拼裝同步進行，節約工期，為減少頂推重量，頂推僅包括主縱梁、橫梁、拱肋和橫撐，為防止頂推工程中拱肋變形，采用臨時剛性吊桿固定拱肋，頂推到位后，逐漸更換永久吊桿。

網狀吊桿拱橋施工方案較為多樣化，普通拱橋的施工方案均都適用于網狀吊桿拱橋，條件允許的情況下多采用先梁后拱的支架施工方案，因橋梁結構纖細，重量較輕，頂推方案也是網狀吊桿拱橋較為便捷的施工方案。設計過程中可以根據具體的橋位情況進行選擇。

3 網狀吊桿拱橋受力分析

3.1 結構內力分析

網狀吊桿拱橋因斜向吊桿在面內形成網狀結構，發生變形時因吊桿作用相互牽制，使得拱肋和梁的變形得到約束，面內剛度較大。

在恒載作用下，結構的內力分布如圖6、圖7所示。

圖6 橋梁彎矩圖

圖7 橋梁軸距圖

在恒載作用下，橋梁拱肋和主梁截面彎矩都比較小，最大位置為拱腳處，拱肋最大彎矩為2650 kN·m，主縱梁最大彎矩在拱梁結合處，最大值為5500 kN·m。截面主要承受軸力，軸力分布比較均勻，拱肋軸力在23 000～27 000 kN，主縱梁受拉，軸力在21 000～22 800 kN。

網狀吊桿拱橋承受的彎矩小，軸力大，受力明顯優于他類型吊桿拱橋[3]，因此可以減小拱肋和主縱梁截面尺寸，節約材料，降低橋梁造價，進一步提高橋梁美觀性，在橋梁施工方案上也有了更多的選擇，根據橋梁的具體情況選擇合適的施工方案。

3.2 結構穩定性

網狀吊桿拱橋面內吊桿交織，相互制約，剛度較大，一般失穩均為面外失穩，因此國外設計的網狀吊桿拱橋多為橫撐密布型，通過增加橫撐保持面外穩定。

本橋設計時，每兩片拱肋間設置三道“X”撐，橫撐分布如圖8所示。

圖8 橫撐布置圖

該橋的前5階失穩模態均為面外，其模態分布見表1。

表1 失穩模態表

該橋在面外穩定性較好，因此設計時確保結構強度滿足規范要求即可。

3.3 撓度計算

活載作用下(考慮重載交通的特殊荷載)主橋最大下撓值為3.3 cm，滿足規范要求。對比相同結構尺寸、剛度下豎直吊桿拱橋撓度值為15.7 cm，下撓量約為網狀吊桿拱橋的4.7倍。說明網狀吊桿拱橋剛度較大，變形小。

在重載交通作用下，橋梁的變形很小，很大程度上改善了行車平順性和舒適性，因此網狀吊桿拱橋適用于重載交通流下的公路橋梁。

4 網狀吊桿拱橋構造特點

通過計算分析，網狀吊桿拱橋拱肋和主梁承受彎矩較小，且分布較為均勻，因此拱肋和梁尺寸設計較小，這在很大程度上減輕了結構自重，統計國內外網狀吊桿拱橋，構造特點存在以下幾個方面：

(1)網狀吊桿拱橋拱肋矢跨比一般較小，拱肋矢跨比分布在1/7～1/5，拱軸線多采用圓曲線和懸鏈線。拱肋可以采用鋼管、鋼箱等結構，鋼筋混凝土結構使用較少。

(2)主梁因承受彎矩較小，構件尺寸遠小于常規結構。梁的結構形式一般采用鋼結構、鋼混結構和預應力混凝土結構。

(3)吊桿：吊桿采用斜向布置，角度傾斜45～75°，吊桿較密，數量較多，通常是豎直吊桿的2～4倍。吊桿布置一般存在以下幾種方式[2]：① 恒定角度，即吊桿梁上端點(下錨點)沿跨度等間距吊桿與主梁成恒定角度，或拱上端點(上端點)沿拱軸線等間距布置，吊桿與拱軸線成恒定角度；② 遞增(減)傾角，即吊桿拱上端點沿拱軸線等間距布置，吊桿下端點間距變化。

5 結 論

網狀吊桿拱橋拱、梁承受彎矩小而均勻，穩定性較好，整體剛度大，節省材料，經濟美觀，施工便捷。具有較好的應用前景[4]，目前該類橋型已經在國外得到較大推廣，國內鐵路橋中應用較多，公路橋近幾年也得到了一定的應用，但是數量較少，希望通過本橋的設計特點和施工方法，能對該類橋型的推廣和普及提供一些幫助和參考。