張力索桁-拱組合(公、鐵)橋

摘要：大跨徑鐵路橋梁的載重量大，“高鐵”橋梁的穩(wěn)定剛度需要大，一般都是用加大結(jié)構(gòu)剛度和重力平衡剛度解決，鋼材用量大和工程造價(jià)高。新研究的“張力索桁-拱組合橋”，是張力索桁、斜拉與桁架拱相結(jié)合的“三合一”組合結(jié)構(gòu)技術(shù)，具有跨徑大、重量輕、剛度大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、施工方便、經(jīng)濟(jì)合理和架設(shè)自張拉特點(diǎn)?！皬埩λ麒臁笔切陆Y(jié)構(gòu)，有材料強(qiáng)度高、重量輕、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、剛度大、施工方便優(yōu)點(diǎn)。拱橋有外形美觀、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、剛度大特點(diǎn)。將“張力索桁”與鋼桁拱肋組合，再懸吊橋面系，形成組合結(jié)構(gòu)，發(fā)揮兩者優(yōu)點(diǎn)、克服弱點(diǎn)。張力索桁外形纖細(xì)，鋼桁拱形體剛強(qiáng)，板桁組合橋面抗扭剛度大，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、壯美。從塔頂索鞍向鋼桁拱兩端加設(shè)斜拉索，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗扭和抗風(fēng)穩(wěn)定。采用實(shí)用工程數(shù)值模擬“仿真”建模計(jì)算，使復(fù)雜新結(jié)構(gòu)計(jì)算解決方便?？捎米鞴窐蛄?，結(jié)構(gòu)剛度很大，亦可作“張力索桁-拱組合公、鐵橋”。

關(guān)鍵詞：張力索桁-拱組合（公、鐵）橋; 仿真建模; 應(yīng)力剛化; 工作站

中國(guó)分類(lèi)號(hào)：U441A

［定稿日期］2022-04-21

［作者簡(jiǎn)介］吳清明（1940—），男，本科，高級(jí)工程師，從事公路橋梁設(shè)計(jì)及咨詢(xún)工作；丁明鋼（1957—），男，本科，高級(jí)工程師，從事公路橋梁設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)工作；杜娟（1976—），女，碩士，高級(jí)工程師，從事建筑設(shè)計(jì)與咨詢(xún)工作；劉彪（1983—），男，碩士，高級(jí)工程師，從事公路橋梁設(shè)計(jì)工作。

1 結(jié)構(gòu)形式

1.1 張力索桁-拱組合結(jié)構(gòu)特性

“張力索桁”是穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，可與拱肋桁架作組合使用。采用“張力索桁”與拱肋桁架相組合，使用拉索承重與拱肋桁架抗彎的變形小，具有“似拱非拱”特性，共同承受懸吊橋面系，使鋼結(jié)構(gòu)加工簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)合理。張力拉索材料強(qiáng)度高、自重輕、抗拉剛度大、傳力直接，主要承受全橋重量。拱肋桁架具有穩(wěn)定性好、抗彎剛度大、自重較輕、跨度大特點(diǎn)。

1.2 張力索桁-拱組合橋

“張力索桁”與拱肋桁架都是穩(wěn)定彈性結(jié)構(gòu)，可共同組合形成“張力索桁-拱組合橋”。將吊橋橋面加勁桁架部分材料用作拱肋桁架，既有拱的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定作用，又便于形成和加強(qiáng)“張力索桁”，可減輕懸吊橋面系加勁桁架自重。主要是加強(qiáng)拱的抗彎剛度和穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)索、拱變形協(xié)調(diào)和共同承重。彎矩的作功原理是力乘力臂，梁（桁架）高、拱的矢高、懸索的垂度、斜拉索的塔高都起力臂作用，唯梁（桁架）高度起的作用小。在集中活荷載作用時(shí)，曲線拱肋桁架比平直桁架梁的抗彎剛度大。拱肋桁架是壓彎受力，不容易變形。矢高與拱推力相乘，形成巨大抗彎平衡力矩。而平直桁架梁是純彎曲受力，抗彎剛度小、容易變形，大跨度鐵路鋼桁架橋都用鋼拱肋加強(qiáng)抗彎剛度。此結(jié)構(gòu)特點(diǎn)概念很重要，利用了拱的抗彎特性，是組合結(jié)構(gòu)創(chuàng)新應(yīng)用（圖1）。

1.3 拱肋桁架

拱是拱形曲線使材料受壓、彎承載，具有外形美觀、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、剛度大特點(diǎn)。鋼材強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)自重較輕，很適合用于大跨徑橋梁。“張力索桁-拱組合橋”結(jié)構(gòu)是折線拉索和拱肋共同承受荷載，加強(qiáng)拱肋桁架強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定。將橋面加勁桁架部份材料用作拱肋桁架，既有拱的特性，又能夠形成和加強(qiáng)“張力索桁”，減輕拱肋桁架自重。索使用“名義彈性模量”作“應(yīng)力剛化”處理，成橋過(guò)程作預(yù)應(yīng)力張拉。組合結(jié)構(gòu)承受荷載是拉索先承受力，主要是拉索承重和保證安全，非拱肋桁架受壓作主要承重，與一般拱橋概念不同。“張力索桁”剛度大，對(duì)拱肋桁架起到加強(qiáng)和穩(wěn)定作用，比單獨(dú)拱肋桁架承重更合理，顯示出組合結(jié)構(gòu)優(yōu)越性。

1.4 懸吊橋面系

橋面系懸吊在拱肋桁架上，具有重力平衡穩(wěn)定剛度作用，與拱肋桁架共同協(xié)調(diào)變形。采用大小2種分離三角形網(wǎng)狀吊桿懸吊橋面系，使橋面軸向受壓，加強(qiáng)橋面系剛度和穩(wěn)定。拱肋桁架作組合使用的矢跨比變化靈活，大和特大跨徑可以是較小矢跨比（1/10～1/12）坦拱，拱肋桁架僅起輔助承重作用，是結(jié)構(gòu)發(fā)展的新型式，顯示出拱的強(qiáng)勁剛度和曲線美感。這是研究大和特大跨徑拱橋提出的組合結(jié)構(gòu)，一般是作單跨形式使用?？衫缅^碇靈活作連續(xù)多跨使用，使錨碇設(shè)置適應(yīng)地形條件。

1.5 張力索桁-拱組合公、鐵橋面

“張力索桁-拱組合（公、鐵）橋”與“張力索桁-拱組合橋”原理基本相同，區(qū)別僅是橋面結(jié)構(gòu)形式不同。對(duì)公路、鐵路兩用懸吊橋面系，采用：公路用正交異性鋼橋面板，鐵路用鋼-混凝土組合橋面板，混合型橋面使橋面板重量較輕。橋面采用不同型號(hào)熱軋H型鋼作縱、橫梁骨架，橋面兩邊和公、鐵相交及鐵路中央設(shè)最大型號(hào)縱梁作加強(qiáng)，鐵路縱梁強(qiáng)于公路縱梁。不同型號(hào)H型鋼作縱、橫梁，焊接形成簡(jiǎn)單鋼格構(gòu)梁，與正交異性鋼橋面板、鋼筋混凝土橋面板相組合，形成混合組合橋面。橋梁中央鐵路部位宜采用鋼-混凝土組合橋面板，加大重力平衡剛度、整體性和穩(wěn)定剛度。兩側(cè)公路橋面采用正交異性鋼橋面板，并加設(shè)玻纖網(wǎng)和環(huán)氧-煤焦油混凝土復(fù)合粘結(jié)層，加鋪改性瀝青混凝土防護(hù)層，加強(qiáng)正交異性復(fù)合鋼橋面板剛度。

1.6 張力索桁塔架

單純大和特大跨徑拱橋自重很大，施工困難，采用“張力索桁-拱組合橋”則容易。塔架是主要承重結(jié)構(gòu)，特性相同于吊橋，施工方法相同。采用鋼筋混凝土箱形塔柱，使用鋼桁架滑升立模澆筑施工方便、經(jīng)濟(jì)合理。只是塔架自重大，對(duì)地基和基礎(chǔ)要求高。但塔架高度不宜過(guò)高，限制了跨徑發(fā)展，宜配合坦拱使用。

2 拱肋桁架特性

2.1 桁架材料

拱肋桁架需要輕而強(qiáng)，關(guān)鍵是保持結(jié)構(gòu)局部和整體穩(wěn)定。鋼材強(qiáng)度高，但強(qiáng)度受結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定影響，強(qiáng)度潛力無(wú)法充分發(fā)揮，故結(jié)構(gòu)選型很重要。桁架桿件主要是承受拉、壓力，結(jié)構(gòu)宜剛度大和自重輕。鋼管截面特性各向同性，但受壓有穩(wěn)定和局部皺損失圓問(wèn)題，影響材料強(qiáng)度發(fā)揮。鋼管不便作加勁和加強(qiáng)，可選擇適當(dāng)管徑和加大管壁厚度解決。拱肋桁架宜輕，拱只起有限承壓作用，主要是起抗彎和穩(wěn)定作用，不宜采用大管徑，宜對(duì)不同跨徑鋼管作比較選用。鋼管混凝土無(wú)皺損問(wèn)題，材料強(qiáng)度能夠共同發(fā)揮。但鋼管混凝土自重大，管徑應(yīng)適當(dāng)，不宜用作特大跨徑拱橋。

2.2 桁架形式

“張力索桁”特性是兩端剛度大，跨中段索桁高度小、剛度小和變形較大。鋼管拱肋桁架橫斷面采用三角形式梯形，上弦桿雙管平行凈距30 cm，既保持三角形斷面形式穩(wěn)定，又方便桁架作平面加工，以便立起作梯形成型加工連接，方便張力拉索和橋面吊桿安裝連接。拱肋桁架除起到一定拱承壓作用，主要是起抗彎和穩(wěn)定作用，宜用等高度桁架方便施工。取高H=6 m、寬B=4 m較合理。腹桿鋼管為三角形，桁架高度加大可采用“米”字形，適用于極大跨徑。

鋼管拱肋桁架被張力拉索扣吊，獲得一定橫向穩(wěn)定，又有兩端斜拉索抗扭保持橫向穩(wěn)定，兩拱肋桁架之間加設(shè)平行橫撐鋼管桁架保持穩(wěn)定，管徑可以較小。橫撐桁架橫斷面為穩(wěn)定三角形，縱向間距為40 m，弦桿鋼管400×10 mm，腹桿鋼管245×8 mm。橫撐桁架腹桿為三角形，亦可采用“米”字形加大高度。

2.3 桁架節(jié)點(diǎn)

鋼管拱肋桁架采用分節(jié)段吊裝架設(shè)，采用縱向夾板螺栓定位、連接和焊接，應(yīng)減少吊裝接頭。拱肋桁架吊裝架設(shè)，應(yīng)與橫撐鋼管桁架相配合，使鋼管拱肋桁架逐步定位成型，保證施工安全。桁架節(jié)點(diǎn)傳力復(fù)雜，承受張力斜拉索和吊桿集中力。故桁架弦桿鋼管在節(jié)點(diǎn)局部長(zhǎng)度內(nèi)，需要焊接鋼橫隔板，灌注C50混凝土形成鋼管混凝土承受集中壓力。拱肋桁架腹桿在節(jié)點(diǎn)作相貫焊接，設(shè)加勁肋板作節(jié)點(diǎn)板加強(qiáng)連接。

2.4 桁架防護(hù)

鋼管拱肋桁架防護(hù)工作量大，為減少鋼管養(yǎng)護(hù)麻煩，桁架鋼管宜采用耐候鋼制造，僅作顏色涂裝處理。

2.5 拱肋桁架邊界

拱肋桁架與橋面系的邊界平衡條件，采用無(wú)鉸拱固結(jié)或雙鉸拱形式，可采用系桿平衡拱推力，在橋面架設(shè)后加設(shè)系桿索作張拉平衡。

2.6 抗風(fēng)穩(wěn)定

因?yàn)榭鐝酱蠛吞卮螅瑯蛎婕觿盆旒懿糠植牧仙弦谱鞴袄撸枰訌?qiáng)橋面系抗扭和抗風(fēng)穩(wěn)定。在橋面兩側(cè)和鐵路兩側(cè)采用實(shí)腹加勁梁加強(qiáng)，有利于與橋面板相組合。將兩側(cè)邊加勁縱梁作成輕型加勁桁架，桁架與預(yù)應(yīng)力橫梁桁架同高，加勁桁架、橫梁桁架和風(fēng)撐桁架與橋面板共同組合形成空間穩(wěn)定板桁結(jié)構(gòu)。在邊加勁縱梁外側(cè)加設(shè)建筑裝修用輕型鋼風(fēng)嘴導(dǎo)流，內(nèi)側(cè)和中加勁縱梁兩側(cè)加設(shè)斜板整流。將公、鐵縱梁底加設(shè)輕型鋼裝修成平面，形成封閉箱梁，養(yǎng)護(hù)方便。在橋面中央開(kāi)設(shè)2行透風(fēng)孔D=25 cm，利于橋面上下風(fēng)壓力平衡，削弱風(fēng)力引起橋面扭轉(zhuǎn)和發(fā)生渦激振動(dòng)。橋面吊桿為穩(wěn)定小三角形斜吊桿，方便橋面架設(shè)安裝，成橋后加設(shè)大三角形斜吊桿，大小三角形斜吊桿面相分離，加強(qiáng)橋面板整體穩(wěn)定，不發(fā)生顫振的共振。橫、豎向風(fēng)力作用，可簡(jiǎn)化為橫豎集中力在橋面節(jié)點(diǎn)加載計(jì)算。拱肋桁架鋼管受風(fēng)的作用，可在橫撐桁架端節(jié)點(diǎn)加簡(jiǎn)化集中風(fēng)力計(jì)算。

2.7 抗地震

自重主要是由張力索桁拉索承受，受地震影響小，地震對(duì)塔架影響大，另作設(shè)計(jì)。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 算力設(shè)備

因?yàn)槭欠€(wěn)定先進(jìn)結(jié)構(gòu)，為高次超靜定復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可采用實(shí)用工程數(shù)值模擬“仿真”建模，使用電子計(jì)算機(jī)作大數(shù)據(jù)計(jì)算方便。結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬“仿真”建模逼近真實(shí)結(jié)構(gòu)，使計(jì)算模型單元數(shù)量巨大。要求計(jì)算機(jī)速度快和內(nèi)存大，這是算力問(wèn)題。一般PC微機(jī)算力有限，圖形工作站是雙CPU，計(jì)算機(jī)速度快，內(nèi)存可加大到16 G、32 G，顯存可大于4 G，計(jì)算時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)。自備工作站計(jì)算比HPC機(jī)方便、經(jīng)濟(jì)合理，可達(dá)近100萬(wàn)單元，利用結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性可節(jié)省一半單元，計(jì)算模型規(guī)模很大，適合一般大型結(jié)構(gòu)計(jì)算。

3.2 模擬仿真建模

實(shí)用工程數(shù)值模擬“仿真”建模逼近真實(shí)結(jié)構(gòu)，不同類(lèi)型單元組合連接復(fù)雜、困難［1］。有限元程序無(wú)法完全提供標(biāo)準(zhǔn)模型，需對(duì)程序模型作開(kāi)發(fā)。再加設(shè)單元作連接處理，使單元數(shù)量龐大。對(duì)不同類(lèi)型單元組合連接，需加設(shè)“拓?fù)洹边B接彈性梁?jiǎn)卧?，具有拉、壓、彎、扭、剪切空間功能，采用節(jié)點(diǎn)剛架單元替代節(jié)點(diǎn)桁架單元作“等代變換”處理，可節(jié)省2/3連接單元，使計(jì)算模型大為優(yōu)化，方便實(shí)現(xiàn)模擬“仿真”建模［2］。

3.3 應(yīng)力剛化

索結(jié)構(gòu)計(jì)算存在“應(yīng)力剛化”問(wèn)題，計(jì)算高強(qiáng)度鋼絲索單元，需要作“應(yīng)力剛化”處理，作成橋加載預(yù)應(yīng)力張拉。采用“名義彈性模量”E=4×1.95=7.80 MPa經(jīng)驗(yàn)值計(jì)算［3］，避免結(jié)構(gòu)矩陣單元坐標(biāo)變化，只作一次線性計(jì)算。

3.4 算法問(wèn)題

“張力索桁-拱組合橋” 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，關(guān)鍵是計(jì)算方法。采用實(shí)用工程數(shù)值模擬“仿真”建模大數(shù)據(jù)計(jì)算，多種程序可計(jì)算，程序是解決算法問(wèn)題［4］。程序使用MATLAB數(shù)學(xué)軟件：矩陣、圖形、計(jì)算等功能起到人工智能作用。計(jì)算需要對(duì)有限元技術(shù)作開(kāi)發(fā)，利用圖形工作站計(jì)算，是長(zhǎng)期學(xué)習(xí)和實(shí)踐中領(lǐng)悟獲得的經(jīng)驗(yàn)?！斑~達(dá)斯”程序界面好，作基本節(jié)段建模后，再作修改、復(fù)制建模很方便。橫豎方向風(fēng)力作用，可簡(jiǎn)化為橫豎集中力作節(jié)點(diǎn)加載，使抗風(fēng)作簡(jiǎn)化計(jì)算方便。計(jì)算結(jié)果的計(jì)算數(shù)據(jù)全面，云圖顯示直觀，便于作橋型研究計(jì)算。

4 算例

4.1 結(jié)構(gòu)概況

“張力索桁-拱組合橋”既適合作大和特大跨徑使用，也適合作連續(xù)多跨使用。采用特大跨徑L=1 000 m作算例，張力索桁拉索垂/跨比F/L=1/10，F(xiàn)=100 m。拱肋桁架矢/跨比F/L=1/12，F(xiàn)=83.33 m。拱腳在橋面下4 m，橋面塔架總高度控制在H=200 m內(nèi)，拱肋頂距離張力索桁拉索最低點(diǎn)約15 m，以加大跨中段索桁剛度。

橋面寬度B=8+14+8=30 m，采用熱軋H型鋼縱、橫格梁焊接：兩側(cè)b=8 m為公路正交異性板鋼橋面、中央b=14 m鐵路或高鐵鋼-混凝土組合橋面，型鋼生產(chǎn)、加工簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)。鋼橋面板厚度δ=14 mm，加鋪h=2.5 cm厚度環(huán)氧-煤焦油混凝土作粘結(jié)層，形成復(fù)合鋼橋面，再加鋪5 cm瀝青混凝土鋪裝層。鋼-混凝土組合橋面板厚度h=22 cm，低于公路橋面h=28 cm。兩者由縱梁腹板相互連接組合成整體，公路與鐵路之間加設(shè)鋼筋混凝土和型鋼隔離護(hù)欄，鐵路或“高鐵”行車(chē)仍宜適當(dāng)減速。邊、中加強(qiáng)縱梁高度h=90 cm，以加強(qiáng)剛度，置于橫梁頂面，便于吊裝架設(shè)、橫梁桁架加工和吊桿設(shè)置。公路縱梁H型鋼h=25cm，間距L=33.3 cm，在公路橋橫梁頂澆筑鋼筋混凝土墊墻加高，也便于路面排水橫坡形成。鐵路或“高鐵”縱梁H型鋼h=50 cm，間距L=0.70 m，橫梁頂縱梁之間空腹部位填塞鋼筋混凝土，加強(qiáng)橫梁桁架剛度。橫梁桁架內(nèi)力大，采用預(yù)應(yīng)力鋼管桁架，桁架高度h=3 m，上弦桿高h(yuǎn)=60 cm，加設(shè)鋼管風(fēng)撐桁架保持穩(wěn)定，橋面架設(shè)后在下弦鋼管內(nèi)張拉預(yù)應(yīng)力和壓漿處理。橋面邊加勁縱梁兼作加勁桁架，加強(qiáng)橋面系抗扭剛度。張力索桁拉索和吊桿采用鍍鋅平行鋼絲或鋼絞線，作耐久防護(hù)。

4.2 模擬仿真建模

4.2.1 張力索桁架

“邁達(dá)斯”程序具有拋物線建模功能，張力拉索借助二次拋物線型建模方便。參照“張力索桁吊橋”斜拉索吊桿分組劃分形式，作拱肋桁架節(jié)點(diǎn)斜拉索吊桿分組劃分，確定吊點(diǎn)位置，修改拋物線形成折線形拉索。實(shí)際在吊點(diǎn)處局部索夾排列形成微曲線段。張力拉索折線是在結(jié)構(gòu)架設(shè)加載最終成型。張力索桁以索結(jié)點(diǎn)劃分索單元，按“名義彈性模量”作計(jì)算，按使用應(yīng)力作調(diào)整、控制，修改單元特性作應(yīng)力調(diào)整計(jì)算方便。

4.2.2 拱肋桁架

拱肋桁架上、下弦桿軸線，可借助拋物線型自動(dòng)建模。拱肋桁架鋼管600×12 mm，為等高度桁架，方便加工。拱肋桁架腹桿300×10 mm，作等間距設(shè)置，作平面放線分段放樣加工焊接，再作翻立組裝加工焊接。在三角形式梯形上弦腹桿中心加設(shè)節(jié)點(diǎn)，作張力拉索和橋面吊桿連接結(jié)點(diǎn)，便于采用、設(shè)置吊桿喇叭形鋼管錨頭。

4.2.3 橫撐桁架

拱肋橫撐為等高度桁架，三角形橫斷面簡(jiǎn)單。橫撐桁架腹桿采用三角形桁架。拱肋桁架與張力索桁相組合橫向穩(wěn)定性好，橫撐桁架起加強(qiáng)橫向穩(wěn)定作用。

4.2.4 正交異性橋面板

正交異性復(fù)合鋼橋面板使剛度加強(qiáng)，僅用鋼橋面板作控制計(jì)算，對(duì)復(fù)合鋼橋面板另作局部模擬“仿真”建模驗(yàn)算。正交異性鋼橋面板和鋼-混凝土組合橋面板都按縱橫矩形□25 cm×33.3 cm劃分作模擬“仿真”建模，使整體結(jié)構(gòu)模擬“仿真”建模計(jì)算規(guī)模大、小適當(dāng)。正交異性橋面鋼板與縱梁、邊縱梁和橫梁組合為板桁結(jié)構(gòu)，但各自形心坐標(biāo)高度不同，需要采用型鋼L100 mm×100 mm×10 mm梁?jiǎn)卧鹘M合連接。

4.2.5 預(yù)應(yīng)力橫梁桁架

預(yù)應(yīng)力橫梁鋼管桁架總高度H=3 m，兩端局部設(shè)腹板和鍍鋅方鋼管□200 mm×200 mm×6 mm加強(qiáng)，上弦桿H型鋼h=600 mm，下弦桿和三角形腹桿為鍍鋅方鋼管，加焊節(jié)點(diǎn)板連接，設(shè)6×7股鋼絞線預(yù)應(yīng)力索，作模擬“仿真”建模整體計(jì)算，加設(shè)平面風(fēng)撐桁架鍍鋅方鋼管保持穩(wěn)定。邊縱梁與橫梁鋼管桁架和腹板加強(qiáng)連接，成橋橫梁桁架作預(yù)應(yīng)力張拉和壓漿處理方便。

4.2.6 橋面系組合

橋面縱、橫梁上弦桿相互組合成整體，需采用型鋼H250×10 mm梁?jiǎn)卧鹘M合連接，起整體功能“等代變換”作用。

4.2.7 橋面加勁桁架

橋面加勁桁架是利用邊加勁縱梁和橋面板作上弦，下弦和腹桿采用橫梁桁架的鍍鋅方鋼管，與橫梁桁架同高。橋面加勁桁架是輕型桁架，主要是加強(qiáng)橋面抗風(fēng)和抗扭剛度作用。傾斜網(wǎng)狀吊桿剛度大，使橋面抗風(fēng)穩(wěn)定性好。

4.2.8 抗風(fēng)斜拉索

從塔頂索鞍加設(shè)抗風(fēng)斜拉索，保持拱肋桁架抗扭轉(zhuǎn)和穩(wěn)定，也保持橋面系抗風(fēng)穩(wěn)定，起安全保險(xiǎn)作用。

4.3 計(jì)算結(jié)果

4.3.1 建模

按數(shù)值模擬“仿真”建模，將公、鐵規(guī)范線荷載換算為橋面板單元節(jié)點(diǎn)荷載，作模擬“仿真”加載，建模方便。

4.3.2 計(jì)算

內(nèi)力計(jì)算順利，因懸吊橋面系參與整體計(jì)算，時(shí)間達(dá)5 h，是橋面系索網(wǎng)吊桿使計(jì)算工作量加大。分別作恒、活載和風(fēng)力計(jì)算，以便作內(nèi)力比較。計(jì)算內(nèi)力以應(yīng)力控制安全，尚未作應(yīng)力優(yōu)化，修改單元特性計(jì)算方便。

4.3.3 加載

恒載主索拉力32 435 t，活載按公路4車(chē)道，線荷載q=10.5 kN/m，總重4 200 t；鐵路2車(chē)道，線荷載q=80 kN/m，作全跨加載，總重16 000 t，主索拉力17 206 t。全跨加載的重力剛度平衡作用大，跨中擾度變形δ=0。鐵路全跨加載重量大，不符合實(shí)際。為考察跨中局部加載的擾度變形，取跨中400 m長(zhǎng)度作局部加載，公路作單邊2車(chē)道加載，以考察偏載影響，鐵路作2車(chē)道加載，活載總重7 240 t，跨中擾度變形δ=-0.109 m，主索拉力24 096 t。公路作偏載加載無(wú)影響，是公路荷載比鐵路小?？缰?00 m長(zhǎng)度作局部加載，鐵路雙列車(chē)重達(dá)6 400 t，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，可保證安全?？缰芯植考虞d主索拉力大于全跨加載，是橋兩端的張力索形桁架和抗風(fēng)斜拉索剛度很大，起到減載作用，這是突出的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)特點(diǎn)。按橋面吊點(diǎn)10 m間距，作橫向4 t、豎向0.8 t集中風(fēng)力加載，橫撐桁架作橫向20 t加載。橋面寬度大、混凝土重力剛度大，斜拉索抗風(fēng)穩(wěn)定作用大，抗風(fēng)穩(wěn)定性能很好。

4.3.4 變形

成橋恒載變形微小，證明拉索力已經(jīng)“應(yīng)力剛化”，結(jié)構(gòu)按彈性變形計(jì)算?？缰谢钶d豎向變形δ=-0.109 m，橋兩端剛度大。這證明新型組合結(jié)構(gòu)具有吊橋和拱橋的剛度特點(diǎn)，適合鐵路荷載大和“高鐵”穩(wěn)定、變形小特點(diǎn)。風(fēng)的跨中段橫向變形：拱肋桁架δ=3.21 m，橋面變形δ=0 m，混凝土橋面板抗扭、穩(wěn)定作用大。

4.3.5 內(nèi)力

恒載內(nèi)力大，活載內(nèi)力小，風(fēng)載內(nèi)力小，兩側(cè)內(nèi)力不相同，證明結(jié)構(gòu)受扭，兩端斜拉索明顯起抗扭作用。拱肋壓力不大，拉索承載拉力大，迎風(fēng)面單索承力（圖2～圖5）。

4.3.6 應(yīng)力

應(yīng)力大小與內(nèi)力規(guī)侓相對(duì)應(yīng)，橋兩側(cè)組合應(yīng)力相差大，斜拉索抗扭作用大（圖6、圖7）。

4.3.7 風(fēng)力

迎風(fēng)面拉索力大，橋面L/4段抗扭的橫向變形大，跨中豎向變形不大，鐵路鋼—混凝土橋面板橫彎受力最大，抗風(fēng)組合應(yīng)力小，橫彎變形作扭轉(zhuǎn)能量轉(zhuǎn)換（圖8～圖11）。

5 施工

“張力索桁-拱組合橋”與“張力索桁吊橋”施工技術(shù)相似，主要是準(zhǔn)確計(jì)算、扣除內(nèi)力計(jì)算彈性延伸索長(zhǎng)。先架設(shè)拉索，再吊裝拱肋，后吊裝橋面、成拱，最后安裝斜拉索。

6 結(jié)束語(yǔ)

“張力索桁-拱組合（公、鐵）橋”作組合設(shè)計(jì)成功，獲得張力索桁吊橋、斜拉橋和拱橋“三合一”組合技術(shù)優(yōu)勢(shì)，“張力索桁”輕而承重力大，拱肋桁架剛度大和曲線美麗、壯觀，具有“似拱非拱”特性。組合橋型比單一橋型技術(shù)先進(jìn)，吊橋折線拉索承重，斜拉索穩(wěn)定索形桁架，拱肋桁架剛度抵抗變形，分工、結(jié)合的效果好，網(wǎng)狀吊桿保持橋面穩(wěn)定。承重內(nèi)力以拉索為主和拱肋受壓為輔。拱肋重量被索桁扣吊，彈性壓縮小，活載變形很小。這是組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，跨徑可超過(guò)斜拉橋。鐵路荷載重量大，“高鐵”荷載重量輕，但對(duì)穩(wěn)定和變形要求很高，用其他橋型技術(shù)處理困難，采用“張力索桁-拱組合（公、鐵）橋”技術(shù)經(jīng)濟(jì)、合理。采用模擬“仿真”建模大數(shù)據(jù)計(jì)算，是人工智能計(jì)算發(fā)展的實(shí)用方法。拱桁加勁技術(shù)是創(chuàng)新應(yīng)用，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益明顯。

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