強梁弱拱公路連續梁拱組合橋設計研究

收稿日期：2023-11-22

作者簡介：朱鴻欣（1972—），男，湖北武漢人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：橋梁設計。

摘 要：對一座采用“強梁弱拱”的公路連續梁拱組合橋開展研究，對該橋的拱、梁結構在施工過程中及通車運營后的受力、變形特點進行了分析，歸納總結拱、梁結構的構造尺寸、截面特性值的差異與其承擔的荷載作用之間的關系，分析結果用來指導該橋的設計，從而達到結構安全、經濟、可行的設計目標。

關鍵詞：連續梁拱組合橋；強梁弱拱；公路橋；拱肋；吊桿；主梁

中圖分類號：U442.5? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2024）03-0007-03

1橋梁概況

某跨越黃河大橋橋位處河寬210 m，IV級航道。管理部門要求河中橋墩數≤2個，通航孔跨徑≥150 m。該橋橋面布置雙向4車道并設非機動車道和人行道，設計荷載為公路I級。主橋為（80+150+80）m連續梁拱組合橋，中跨為下承式梁拱組合結構。本橋道路豎向設計受限于3個要求：①橋下通航凈高要求≥8 m。②主橋南端無引橋，要求與河堤頂部道路平交。③最大縱坡要求≤3%，須嚴格控制中跨梁高。

本橋施工受限于兩點：①橋位周邊建筑密集，施工場地狹窄，難以采用懸拼法或轉體法建造拱結構。②對河道通航及行洪要求高，施工期間不能大量占用水域面積，不宜采用支架法建造拱結構或梁結構。

最終采用的施工方案為：懸澆法完成（80+150+80）m連續梁施工。連續梁成橋后，在中跨橋面上搭設支架裝配鋼管拱肋。完成拱肋、吊桿安裝，施工橋面附屬結構。連續梁先行成橋，獨自承擔梁自重以及建造拱肋時的施工荷載，后期安裝完成的拱結構則承擔部分橋面附屬結構恒載（二期恒載）及汽車等活載。

2設計研究

2.1 模型建立

本橋橫向寬度較大，故主梁采用單箱多室整體箱型截面，其剛度及體量均大于常規公路梁拱組合橋中的系梁。

梁拱組合體系中，二期恒載及汽車等活載均直接作用于主梁，再通過主梁豎向變形及吊桿的軸向拉伸傳遞給拱肋，拱肋的剛度、吊桿的截面積都會影響其參與受力的程度，為此建立有限元模型計算分析當拱肋剛度、吊桿面積不同時，主梁內力的變化。拱肋采用鋼管混凝土，吊桿采用高強鍍鋅鋼絲拉索。拱肋線形為懸鏈線，矢跨比1：5。表1中模型1的結構參數根據工程經驗值擬定，作為比較的基準參數。模型2、3在模型1基礎上增大不同倍數。

2.2 計算分析

在各項荷載作用下，不同模型中的主梁內力及變形均存在差異，并呈現一定變化規律。

2.2.1 二期恒載

當全橋作用200 kN/m的二期恒載時，不同模型中主梁截面內力及變形如表2～4所示。

當拱肋慣性矩和吊桿面積增加時，有以下6點發現：①表2顯示中跨各截面彎矩減少幅度較大，最多可減少52%（1/2中跨處）。②表3顯示中跨各截面剪力減少程度不及彎矩，剪力最多減少21%（1/4中跨處）。③表4顯示中跨各截面豎向撓度明顯減小，最多可減少60%（1/2中跨處）。④表5顯示邊跨各截面的正彎矩增加，1/2邊跨處正彎矩可增加66%。同時截面的負彎矩減少，3/4邊跨處負彎矩減少26%。⑤表6顯示邊跨各截面剪力略有減小，最多減少10%。⑥表7顯示邊跨各截面豎向撓度增加顯著，1/2邊跨處增加38%。

可見拱肋慣性矩和吊桿面積的變化，主要引起主梁中跨內力及豎向撓度變化，進而通過結構變形的連續性影響到邊跨，邊跨內力和撓度的變化程度相對偏低。

2.2.2汽車荷載

本橋汽車荷載采用公路-I級，是成橋后的主要荷載，在其作用下不同模型中主梁截面內力及變形如表8～10所示。

表8顯示，汽車荷載作用下，不同模型主梁中跨內各截面彎矩的變化相對較小。如1/2中跨處正彎矩最多減少38%， 中支點負彎矩僅減少8%。表9顯示，拱肋慣性矩和吊桿面積的變化對主梁中跨截面剪力的影響很小。如1/4中跨處剪力減少4%（模型2）～16%（模型3），中支點處僅減小0.3%（模型2）～2%（模型3）。表10顯示，拱肋慣性矩和吊桿面積的增加明顯減小主梁中跨的撓度。在1/4中跨處撓度減小16%（模型2）～40%（模型3），在1/2中跨處撓度減小36%（模型2）～65%（模型3）。

表11中，將模型2、3對比模型1發現：近梁端處截面（1/4、1/2邊跨）最大正彎矩值變化不大，而最大負彎矩值減小較多。近中支點處截面（1/4、1/2邊跨）最大正、負彎矩值變化幅度較小。

表12中，將模型2、3對比模型1發現：各截面剪力值變化較小，且近梁端處截面（1/4、1/2邊跨）減小，近中支點處截面（1/4、1/2邊跨）增加。

表13顯示，不同模型中邊跨內各截面撓度值變化很小。

2.3 設計成果

分析結果顯示，在連續梁中跨增設拱結構，隨著拱肋截面慣性矩和吊桿面積增加，其承擔的荷載也增大，對主梁中跨各截面的內力及變形的改善效果更明顯，但是繼續增大拱結構參數并沒有同比例地增加其承擔的荷載。

本橋設計中首先要求主梁必須具備一定的強度和剛度，以保證施工期間的結構安全。其次中跨增加的拱結構能夠滿足主梁梁高較小的情況下，主梁各截面內力及撓度滿足要求即可。

與連續梁橋方案相比，本橋采用梁拱組合橋后，二期恒載作用下，主梁中跨跨中截面的最大正彎矩減少62%，中支點截面最大負彎矩減少46%，中跨跨中撓度減少73%，邊跨負彎矩區段縮短且數值減少，邊跨撓度方向改變且數值減小。具體如圖2、圖3所示。

采用梁拱組合橋后，汽車荷載作用下，主梁中跨跨中截面的最大正彎矩減少60%，邊跨跨內最大正彎矩減少33%，同時中支點截面最大負彎矩減少47%。中跨跨中撓度減少79%，邊跨跨內最大撓度減少47%。具體如圖4、圖5、圖6所示。

3結束語

連續梁拱組合橋的設計，需要明確梁、拱在組合體系中的作用大小，其由梁、拱結構的力學性能參數、參與受力的階段決定。要遵循安全經濟的原則，經過試算、比選才能合理地確定主梁、拱肋、吊桿等構件的性能參數。

參考文獻

[1] 謝大鵬，胡國偉.高速鐵路大跨度梁拱組合橋鋼管拱原位拼裝方案設計研究[J].高速鐵路技術，2014，5（3）：100-104.

[2] 曹進.高速鐵路連續梁拱組合橋拱部施工技術研究[J].鐵道建筑，2014（3）：24-26.