大跨度剛梁柔拱組合體系橋梁設計關鍵問題研究

李 爽

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司，遼寧 沈陽 110015)

1 案例分析

1.1 工程概況

工程為410 m跨徑主橋，主橋為三孔連續拱梁組合體系，橋梁跨徑組合結構形式為(105+200+105)m。

1.2 梁結構構造形式

(1)主梁截面構造

拱橋為下承式結構，主梁為預應力混凝土結構，箱梁為變高的結構形式。截面為雙箱單室，橋梁全斷面寬為33.5 m。路面機動車道寬為2×16 m，本段平面為直線段不設置超高，路拱采用2%的雙向橫坡度。

主梁頂板的厚度30 cm，懸臂自由端厚度18 cm，梁端厚度80 cm。梁腹板采用厚度漸變方式，厚度由55 cm變化至80 cm。底板采用1.8次拋物線進行變化，厚度由30 cm變化至90 cm。

(2)拱肋構造

拱圈為四管式雙拱肋，與梁體共同受力，結構為下承式拱梁組合結構。拱腳固接于箱主梁體內，拱軸系數m=1.167的懸鏈線，矢跨比分別為1/3。

拱肋凈跨徑200 m，拱肋高200 cm，寬150 cm；均由二榀拱肋組成，每榀拱肋斷面為高度桁式肋，由四肢Ф610×13 mm的Q345C鋼管組成，拱肋鋼管填充C50微膨脹混凝土。

(3)吊桿構造

吊桿采用環氧噴涂無粘結擠壓拉索，外部帶有PE防護管，上、下端分別固定在下弦管頂和矮橫梁底部，上、下設導管和防水及封端設施，吊桿索外包PU外擴套和PE防護套，吊桿上、下均設置減震圈；吊桿間距均為7.5 m。

1.3 受力特點分析

本橋屬于剛性梁柔性拱組合橋為下承式連續梁拱組合體系橋。主梁能承受較大的壓應力，拱圈主要承受吊桿傳來的下部荷載，主要產生壓應力，這種大跨度剛梁柔拱組合體系橋梁與一般的下承式拱橋不同，此類橋梁拱肋吊桿受力分布不均勻，吊桿在靠近拱腳處受力較小，跨中受力較大[2]。

這種橋梁結構通常采用“先梁后拱”的施工方法，因此從梁的受力特點上看，由主梁作為自身重量的主要承擔結構，主梁、拱肋共同承擔二期恒載和活載。由此可見，剛梁柔拱組合體系橋梁具有拱橋和連續梁橋共同的受力特點，梁拱的剛度比會很大程度影響梁拱結構內力的分配，同時采用不同的施工方法對梁拱受力影響也較大，這種結構受力相對來說比較復雜。

1.4 抗震分析

(1)反應譜分析基本原理[3]

基于單振子地震響應進行反應譜分析，通過單振子的質量、阻尼、剛度假定在地震作用下產生加速度，描述為地震作用。用相關公式可以表示為公式(1)

(1)

(2)結合反應譜的地震力計算

多自由度體系的各項反應值是通過振型分解后產生各自的獨立震動，然后再根據各個分解后振動最大值進行組合，就得到了最大地震作用破壞值。本次選用表1的地震動組合方式進行參數分析。計算分析時忽略行波對地震作用波產生的影響。

表1 反應譜四種工況分析參數選取表

本次選取上述工況組合中工況2進行研究分析，得到隨著時間不斷的延長地震作用下頻率數據變化曲線。

根據上述地震作用反應譜周期頻譜變化曲線可以看出：工況2在地震作用下，受到地震作用橋梁會在瞬間產生較大的破壞力，通過增設彈性構件或阻尼構件，可以有效減小頻譜的反映時間，能夠有效的提高橋梁結構的抗震能力。

2 梁拱組合體系受力分析

2.1 工況設定

在梁拱組合橋梁的施工和運營期間，受力較為復雜的部位就是梁拱結合部位，在各類荷載作用下結構會產生支座位移、收縮徐變、溫度徐變等[4]。施工過程中主梁施工支架拆除前后和吊桿張拉之前拱腳受力變化是施工階段最不利受力情況之一。利用有限元模型Midas Civil對橋梁受力狀態進行跟蹤模擬，通過對各種荷載的施加，能夠極大程度模擬橋梁實際受力和變形情況。采用以下四個工況分析梁拱組合結構形式的受力，參見表2。

表2 梁拱組合結構形式受力工況分析表

2.3 梁頂板受力分析

在表2中的四種工況作用下，可以很好的分析每個工況作用下拱腳位置所受到的縱向正應力、壓應力、拉應力的受力分布及變化情況。在拱梁結合部位梁體的頂板處受力變化較大，可以有效得到縱向正應力在頂板上橫向分布規律。

(1)梁體縱向正應力分析

在實際工程計算中，采用工況1的恒載布置形式，發現在翼緣板端部梁板的縱向正應力最大；采用工況2墩頂截面負彎矩最大布置形式，發現梁體的第一道橫隔板與頂板相交處拉應力最大；采用工況3墩頂截面剪力最大布置形式，發現梁體的第一道橫隔板與頂板相交處拉應力最大；采用工況4墩頂截面剪力最大布置形式，發現梁體的翼緣板端部拉應力最大；根據上述4個工況的受力分析，得出恒載決定著拱腳結合段正應力[5]。

(2)主拉應力分析

對于梁體主要的拉應力，工況1作用下，主梁和拱肋鋼管相交位置處頂板的主拉應力最大；工況2作用下第一道橫隔板和頂板下緣腹板相交倒角位置頂板的主拉應力最大；工況3作用下，第一道橫隔板和頂板下緣腹板相交倒角位置頂板的主拉應力最大；工況4作用下，第一道橫隔板和頂板下緣腹板相交倒角位置頂板的主拉應力最大。由上述分析可知，恒載決定著拱腳結合段正應力，這是由于頂板縱橋向正應力分析時，沒有考慮鋼筋構造對應力有著重要的分散作用[6]。

(3)梁頂板橫向應力分析

工況1作用下，腹板與頂板相交處拉應力最大，翼緣板端部壓應力最大；工況2作用下，頂板與拱腳鋼管相交處拉應力最大，翼緣板端部壓應力最大；工況3作用下，頂板與拱腳鋼管相交處拉應力最大，翼緣板端部壓應力最大；工況4作用下，頂板與拱腳鋼管相交處拉應力最大，翼緣板端部壓應力最大。

2.4 梁體腹板應力分析

(1)縱向正應力

根據工況1分析，腹板受力通過支座進行傳遞，通常可以近似認為支座以與腹板45°夾角方向向上傳遞，通過對橋梁腹板受恒載作用受力分析，得知腹板縱橋向應力最大受力位置在腹板底，最小受力位置在中橫隔板與腹板中部的連接處。根據工況2分析，腹板受力通過支座進行傳遞，通常可以近似認為支座以與腹板45°夾角方向向上傳遞，通過對橋梁腹板受恒載作用受力分析，得知腹板縱橋向應力最大受力位置腹板底部，最小受力位置在腹板中部與中橫隔板連接處。根據工況3分析，通過對橋梁腹板受恒載作用受力分析，得知腹板縱橋向應力最大受力位置腹板底部，最小受力位置在腹板中部與中橫隔板連接處。根據工況3分析，通過對橋梁腹板受恒載作用受力分析，得知腹板縱橋向應力最大受力位置腹板底部，最小受力位置在腹板中部與中橫隔板連接處。根據上述四個工況分析，最大拉壓應力分布基本相同，可以得出梁體縱向正應力主要由恒載決定的[7]。

(2)主梁拉應力分析

工況1作用下，腹板與頂底板連接處主拉應最大；工況2作用下，腹板與頂底板頂底板連接處主拉應最大；工況3作用下，腹板與頂底板頂底板連接處主拉應最大；工況4作用下，腹板與頂底板頂底板連接處主拉應最大；分析時沒有考慮普通鋼筋構造對應力的分散作用，應力集中現象出現在倒角位置。

3 施工過程主梁混凝土應力變化分析

3.1 主梁施工線形控制

橋梁的施工方案和橋梁的結構形式決定了大跨度連續梁橋施工階段的劃分，在施工過程中，根據施工外部環境條件的不同對橋梁施工方案的選擇有較大的影響。對于大跨徑梁拱組合體系，隨著施工進度推進所附加的施工荷載和選用的施工機械也各不相同，這種施工中荷載變化對橋梁來說會產生很大的影響。在橋梁施工中對施工線形控制至關重要，這是保證橋梁施工線形和施工應力變化重要因素。橋梁最終目標就是通過施工控制保證合攏后橋梁滿足設計線形要求，這個需要根據施工過程中的實際情況實施調整線形以滿足最終線形使用要求[8]。

3.2 主梁不對稱施工配重

在橋梁施工過程由于外部環境或突發情況難以避免橋梁出現兩側不能同步施工情況發生，這種不對稱會導致橋梁施工中的受力不均衡，從而影響橋梁安全。出現這種不能對稱施工情況時，最常用的方法就是在橋梁對稱位置進行配重來平衡梁體兩側重量，除此之外通過配重還能夠很好的調節梁體內力、線形等施工重要控制因素，通常采用配重施工具有以下幾個作用。

(1)有效控制合攏線形。橋梁端部在合攏過程中會由于梁端自重產生撓曲變形，從而影響合攏段標高相對位移，為了保證順利完成合攏施工，通常會對相對位移標高較小的一端進行配重，使得梁體端部相對位移符合合攏條件，能夠更好的保證梁體最終線形平順。

(2)有效調整合攏段標高差。根據施工不同組織形式和施工方案的選用，施工過程中常會出現與理論值的偏差，這種偏差可能導致橋梁合攏線形出現突變，這就需要調整標高來實現這一目標，通常采用在標高較高的一端增加配重，使得合攏段兩端梁體標高一致，但是配重應根據橋梁實際情況使用，避免出現配重過大損壞梁體。

4 結 語

主要對大跨度剛梁柔拱組合體系橋梁設計關鍵問題研究，主要涉及梁的整體運營期受力分布和施工過程梁體受力分布，同時著重對梁體抗震性能設計進行系統分析，這是橋梁耐久安全的一個重要指標。通過實際工程認識且了解到梁拱組合橋梁的自身結構特點和不同階段的受力特點。梁拱結構橋梁的結構特點決定了其不同部位的受力特點，根據這種受力特點對橋梁截面壓應力、拉應力等受力進行了重點分析，橋梁結構和構造分析、受力特點分析得出梁拱組合體系橋梁最不利受力點集中在梁拱組合交點位置。其次對梁拱組合橋梁的地震作用進行逐一分析，同時也更好地明確了梁拱組合體系地震影響設計的重要分析方法，對于同類項目設計具有重要的參考價值和意義。最后通過梁拱組合橋的特點主要對施工過程中梁拱組合橋施工控制進行了系統分析，以更好服務于實際建設中，主要對于兩側平衡施工過程出現差異問題采用平衡配重來進行處理的重要方法手段，為保證梁拱組合體系橋成橋線形保證提供重要施工方法共同類項目借鑒和使用。