斜靠式鋼箱拱橋穩定承載力及成橋試驗

2024-02-24 10:06:56顧曉毅

城市道橋與防洪 2024年1期

顧曉毅

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

世界上首座斜靠式拱橋為1987 年建造于巴塞羅那的Bacde Road Bridge，我國已建成的斜靠式拱橋有昆山玉峰大橋、義烏丹溪大橋和上海康寧路蕰藻浜大橋等。該類型拱橋是傳統拱橋的創新，避免了主拱間風撐造成的行車壓抑感，同時增設斜靠拱，與主拱形成的三角形體系有效保證了拱肋的空間穩定性。

斜靠式拱橋一般用于橋面寬度較大、對景觀有一定要求的橋梁。國內該類橋梁的最大橋面寬度、主跨分別達到了60 m 和160 m。根據橋位地質條件，斜靠式拱橋可采用有推力拱、系桿拱或組合體系（圖1 所示），其中（a）、（b）體系適用于地質條件較好地區，（c）、（d）體系適用于軟土地區。

圖1 斜靠式拱橋結構體系（橫斷面）圖

斜靠式鋼箱拱橋結構體系較為新穎，國內相關研究并不多。肖汝誠[1]等以昆山玉峰大橋為例，對斜靠式鋼管混凝土拱橋的力學性能、構造特征等問題進行分析；王玉銀[2]等以廣東金山大橋為背景，探討其力學性能、破壞機理和穩定承載力；陳淮等以益陽康富南路橋[3]、潮州韓江北橋[4]為研究對象，進行振動特性及參數分析。上述研究主要針對鋼管混凝土斜靠拱橋，而針對斜靠式鋼箱拱的穩定性研究很少。本文以已建成的上海康寧路蕰藻浜大橋為背景，研究斜靠式鋼箱拱橋的穩定承載力，同時進行成橋靜動載試驗，驗證大橋受力性能。

1 大橋設計概況

蕰藻浜大橋采用圖1（c）所示受力體系，設計荷載等級為城-A 級。大橋主孔跨徑145 m，矢高24 m（矢跨比≈1/6.0），橋梁滿足機動車、非機動車和行人過河需求，橋面總寬度達到52.3 m。大橋采用斜靠式拱橋結構，斜拱設計傾角為θ=19°，斜拱與主拱之間設置風撐，兩片主拱間不設風撐。

考慮河道通航要求，大橋采用“先拱后梁”的安裝方法，施工期間設置少量支架。大橋主體結構采用便于預制安裝的鋼箱拱、鋼系梁和鋼-混凝土疊合橋面系。

拱肋及拱間橫撐：主、斜拱肋均采用全焊接鋼箱斷面，拱肋寬度與鋼系梁對應；主拱與斜拱間設置4對橫撐，橫撐與拱肋采用焊接連接。

鋼系梁及橋面系：鋼系梁為單箱室鋼箱梁，對應主拱和斜拱處設置；橋面系為鋼-混凝土疊合梁格體系，橫梁采用開口H 形焊接鋼梁，其上鋪設預制鋼筋混凝土橋面板。

吊桿及水平系桿：吊桿選用平行鋼絲拉索，主、斜吊桿布置在對應拱肋所在面內；水平系桿選用平行鋼絲冷鑄錨拉索，錨固在鋼系梁端部。

大橋總體布置如圖2、圖3 所示。

圖2 斜靠式鋼箱拱橋橫斷面圖（單位：mm）

圖3 斜靠式鋼箱拱橋立面圖（單位：mm）

2 穩定承載力分析

2.1 有限元模型

建立有限元空間仿真模型：拱圈、系梁、橫梁、橫撐均采用空間梁單元，混凝土橋面板采用板單元，吊桿采用拉桿單元，同時輸入橋梁下部結構模擬約束剛度。分析模型如圖4 所示。

圖4 有限元分析模型

2.2 荷載組合工況

主要計算分析見表1 所列六種荷載工況[5]對應的大橋穩定系數，其中重力荷載采用重力加速度場的方法施加，其它荷載換算成等效荷載施加在相應節點處。

表1 荷載組合工況

2.3 分析結果

通過彈性屈曲穩定分析，得到大橋的屈曲特征值和失穩模態。從圖5、圖6 可見，大橋的屈曲模態前15 階均為拱肋面外失穩，面內失穩出現在第16 階之后，說明大橋的面外剛度相對面內剛度較小。圖5 中的失穩模態為n 倍半波面外失穩，拱頂、1/4L 處為拱肋的最大平面外變形位置，該處位移應作為成橋監測的重點。

圖5 面外彈性屈曲模態（前15 階，特征值系數λ=4.9～16.0）

圖6 面內彈性屈曲模態（第16 階之后，特征值系數λ＞16.7）

考慮幾何非線性，對大橋進行非線性穩定分析，其一階穩定系數及其與彈性屈曲一階特征值系數的對比如表2 所列。從表2 可見：（1）大橋的彈性屈曲穩定是以豎向荷載為控制荷載，汽車荷載全橋布置時（工況1、工況3）豎向力最大，其穩定性最低；（2）在考慮幾何非線性因素時，由于結構橫向剛度較低，對橫向風載、活載偏載最為敏感，因此汽車偏載布置、考慮風載時（工況4）穩定性最差；（3）與彈性屈曲穩定相比，在考慮幾何非線性后，大橋穩定系數大約降低20%，降低幅度不是很大。