大跨徑斜靠式拱橋靜力性能及結(jié)構參數(shù)分析

吳剛

（江西省交通設計研究院有限責任公司，江西 南昌 330001）

1 工程概況

某城市外圍跨江橋梁，橋面寬29.5m，設計荷載為行車荷載：城市-A，公路-I校核，行人荷載3.5kN·m-2，該橋梁按照五連跨下承式拱橋型式設計，跨徑組合為90m+110m+152m+110m+90m，主跨設計跨度達152m，屬于大跨徑斜靠式拱橋。該橋梁造型新穎，結(jié)構特殊，與傳統(tǒng)拱橋結(jié)構相比，其力學性能頗為不同，主拱主要采用水平力自平衡組合拱梁形式，主拱之下所設置的主梁是承受全橋恒載和活載的主要結(jié)構；水平系桿也設置在主拱之下，發(fā)揮著克服恒載和活載所產(chǎn)生的水平推力的作用；小縱梁設在斜拱下，在支撐橋面板的同時還能促使斜拱水平剛度的有效提升，確保主拱剛度和斜拱剛度協(xié)同一致；該大跨徑斜靠式拱橋還設置橫撐，拱肋的橫向穩(wěn)定有保障。

2 斜靠式拱橋力學性能分析

2.1 水平荷載下拱肋的受力性能

根據(jù)對水平荷載作用于拱肋后的軸力和彎矩分配情況的分析發(fā)現(xiàn)，豎拱拱肋和斜拱拱肋軸力大小及分布方式相同，方向相反；而且拱肋所產(chǎn)生的彎曲變形也承受和抵消了部分傾覆力矩[1]，其在拱腳處所承擔的彎矩甚至達到軸力抵抗力矩的20%。根據(jù)相關分析可知，水平力所產(chǎn)生的傾覆力主要通過水平荷載下豎拱和斜拱所形成的結(jié)構體系轉(zhuǎn)化為各自的軸向力[2]，所以導致拱肋所承受彎矩值的減小，使拱肋結(jié)構承載力顯著提升。所以，普通拱橋水平荷載主要由拱肋結(jié)構受彎承受，而大跨徑斜靠式拱橋水平荷載則由斜拱軸向變形承受。

2.2 豎向荷載下拱肋的受力性能

根據(jù)豎向荷載下斜靠式拱橋拱肋軸力分布和彎矩情況可知，拱肋在豎向荷載的影響下會產(chǎn)生較大的軸向力，通過比較分析斜拱和豎拱中軸力的分布發(fā)現(xiàn)，斜拱和豎拱所承擔軸力分別為總軸力的1/8和7/8，且豎向荷載影響下拱肋彎矩和軸力具有相似的分布形態(tài)，斜拱所承擔的彎矩僅為總彎矩的15%[3]。可見，斜拱肋對承擔豎向荷載的貢獻明顯小于豎拱拱肋，所以，豎拱拱肋是大跨徑斜靠式拱橋中主要的承重構件，且由于豎向荷載影響下連桿和吊桿位置存在剪應力突變，所以豎拱拱肋和斜拱拱肋彎矩的變化并不連續(xù)。因拱肋截面受力情況的復雜性，必須充分重視拱肋彎矩的作用，特別是拱腳處彎矩最大的區(qū)域。

3 斜靠式拱橋結(jié)構參數(shù)分析

影響大跨徑斜靠式拱橋受力結(jié)構穩(wěn)定的參數(shù)主要有矢跨比、吊桿間距、拱肋傾角及橫撐位置和橫撐數(shù)量。

3.1 矢跨比

大跨徑斜靠式拱橋的矢跨比是決定橋梁結(jié)構應力和穩(wěn)定性的重要參數(shù)，對于既定的拱橋截面和跨徑，當矢跨比較小時，拱弧較短，拱肋所用材料量較少，但因荷載均勻分布，軸壓和拱推力均較大，并隨著拱圈內(nèi)軸向壓力的增加，系梁所承受的拉力增加，混凝土收縮、彈性壓縮及混凝土溫度等附加內(nèi)力增大。可見，加強矢跨比控制能有效保證拱橋內(nèi)力分布的合理性并降低施工材料使用量。本工程將主拱矢跨比分別設定為1/4.5、1/5、1/6、1/7，并進行大跨徑斜靠式拱橋結(jié)構內(nèi)力變化情況分析。結(jié)果表明，隨矢跨比的減小，主拱內(nèi)力、系梁及斜拱彎矩均增大，且在主拱矢跨比從1/4.5變動至1/5時主拱和斜拱軸力均有較大幅度增加，主拱矢跨比從1/5變動至1/6時主拱和斜拱彎矩變動幅度較大，而彎矩對拱橋結(jié)構的影響更為不利，所以，大跨徑斜靠式拱橋矢跨比應控制在1/5以上。

根據(jù)對本斜靠式拱橋不同矢跨比下結(jié)構穩(wěn)定安全系數(shù)的分析以進行橋梁結(jié)構穩(wěn)定性判斷，結(jié)果詳見表1，由穩(wěn)定安全系數(shù)的變動趨勢可以看出，矢跨比取值越大，則拱橋結(jié)構穩(wěn)定安全系數(shù)相應增大。

表1 不同矢跨比所對應的穩(wěn)定安全系數(shù)

3.2 吊桿間距

系梁和拱肋之間的傳力主要通過吊桿進行，吊桿布置形式影響橋面剛度、系梁結(jié)構內(nèi)力、拱肋自振特性等。該橋梁斜拱平面內(nèi)的斜拱吊桿采用豎直吊桿形式，通過比較設置間距分別為3m、4m、5m的吊桿對系梁、主拱、斜拱內(nèi)力的影響發(fā)現(xiàn)，隨吊桿間距增大，斜拱內(nèi)力表現(xiàn)出較大的不利反應，對于吊桿結(jié)構自重和間距呈反比的情況下，吊桿間距應控制在3～4m的范圍內(nèi)，以確保吊桿受力沿跨中對稱分布，中間張力大，兩側(cè)張力小，所對應的吊桿力安全系數(shù)為5.34～3.23，符合相關規(guī)范（結(jié)果詳見表2）。通過比較不同吊桿間距下所對應的結(jié)構穩(wěn)定安全系數(shù)可以看出，隨著吊桿間距的增大，結(jié)構恒載比降低導致結(jié)構穩(wěn)定安全系數(shù)先升后降，且隨著吊桿間距的進一步增大，其約束力逐漸變?nèi)酰瑸榇耍緲蛄旱鯒U間距按照3～4m設計。

表2 吊桿間距所對應的穩(wěn)定安全系數(shù)

3.3 拱肋傾角

大跨徑斜靠式拱橋拱肋傾角也對拱橋設計質(zhì)量存在較大程度的影響，通過分析拱肋傾角分別為28°、22°、25°、16°、19°時所導致的拱橋力學性能變化趨勢規(guī)律，以便了解和掌握拱橋受力特性。若拱肋傾角設置不合理，待拱橋建成后在吊桿非保向力的影響下，拱肋會傾斜于受力較小側(cè)，并加大拱頂橫向位移。為確保拱肋組合結(jié)構的穩(wěn)定性，必須分析拱肋傾角對拱橋力學性能的影響，通過對拱頂橫向位移的控制，確定出拱肋傾角取值的合理范圍[5]。通過分析表明，較小的拱肋傾角不利于主拱、系梁、斜拱受力的均勻性，但是拱肋傾角在19°～25°范圍內(nèi)時，軸力變化趨勢變得較為緩和，且拱頂橫向位移不超過4mm。

3.4 橫撐設置位置及數(shù)量

橫撐的設置能明顯提升大跨徑斜靠式拱橋結(jié)構的橫向穩(wěn)定性，而且拱橋結(jié)構內(nèi)力受橫撐數(shù)量、設置間距、設置位置等的影響較大，拱肋橫向剛度受橫撐影響后進而影響全橋的受力情況和穩(wěn)定性。本文對橫撐數(shù)量11、9、7（分別對應橫撐間距6m、7.5m、10m）的情況進行拱橋結(jié)構受力和穩(wěn)定性分析，結(jié)果表明，隨著橫撐數(shù)量的減少和間距的增大，斜拱彎矩與軸力明顯增大，且拱腳處橫撐對主拱彎矩影響最為顯著，拱腳和拱頂處橫撐對斜拱彎矩影響最大。

4 結(jié)語

通過本文對具體大跨徑斜靠式拱橋靜力性能的分析可知，豎向荷載作用于拱橋結(jié)構后斜拱拱肋所承擔豎向荷載較小，大部分豎向荷載由豎拱拱肋所承擔；而水平荷載作用于拱橋結(jié)構導致豎拱和斜拱軸力反方向變化，所產(chǎn)生的傾覆力矩主要由抗矩承擔，所以，大跨徑斜靠式拱橋穩(wěn)定性較好，但在水平荷載和豎向荷載的共同作用下，很容易引發(fā)左拱肋豎拱拱腳和右拱肋斜拱拱腳同時失穩(wěn)。對大跨徑斜靠式拱橋結(jié)構參數(shù)分析結(jié)果表明，矢跨比從1/5減小至1/6時，拱橋結(jié)構內(nèi)力值增大幅度較大，且隨矢跨比的增大，結(jié)構穩(wěn)定安全系數(shù)緩慢增加；吊桿間距越大則越不利于斜拱結(jié)構受力和穩(wěn)定，且保證拱橋結(jié)構穩(wěn)定的吊桿間距在3.0～4.0m之間；拱肋傾角應控制在19°～25°范圍內(nèi)，以使軸力變化趨勢更加緩和，并獲得最小的拱頂橫向位移。根據(jù)對上述結(jié)構參數(shù)的分析結(jié)果，大跨徑斜靠式拱橋拱肋面以外出現(xiàn)反對稱失穩(wěn)模態(tài)的屬性決定了其結(jié)構參數(shù)無論怎樣變化，結(jié)構穩(wěn)定性均主要由橫向支撐剛度決定。