（道路与铁道工程专业论文）连续斜系杆拱桥的结构性能研究.pdf

摘要 本文从系杆拱桥受力特性、应用现状以及斜交结构特点出发，提出了连续斜系杆拱桥这 种新的结构形式，并以实际_ 程一滨江大桥为背景，对该结构的静力、稳定性及动力特性等 体系受力性能进行了系统的研究，同时对该斜交结构中的一些关键问题进行了深入的分析探 讨 利用空间有限元程序对单跨斜系杆拱桥和三跨连续斜系杆拱桥随斜度从0 。4 59 改 变的静力特性进行了具体的计算分析，研究了在恒、活载作用下各类构件的内力分布规律及 变化趋势，总结归纳了单跨和连续结构的主要受力特点和影响因素。研究表明结构连续后具 有连续结构体系的一些内力特征，墩顶负弯矩增大，跨中变形减小，整体刚度提高：随着斜 度的变大，桥面系横梁梁端弯矩、扭矩增大，并对拱架结构产生耦合效应，内力呈现不对称 的非线性增大现象，类似于一般斜交粱桥的某些特点，但各构件和不同截面的内力增值不一， 对系杆弯矩和扭矩以及拱肋弯矩影响较大；桥台处钝角侧支座反力大于锐角侧，而桥墩处两 侧支反力相差较小；附加内力与斜度的关系不是很大：论文还对桥面宽度对受力性能的影响 进行了分析，结果表明结构随斜度变化的受力特点相同，仅量值变化而已。 连续斜系杆拱桥随斜度从0 。4 5 。的变化，结构稳定系数在降低，但相对于正交时幅 度在1 0 以内。对于刚性系杆刚性拱桥而言，随着桥面宽度的增大，结构的稳定系数呈下 降趋势，且基本呈线性关系，这一点说明桥面系的刚度比较大，结构的失稳主要由拱肋本身 刚度决定。稳定系数较低的阶段通常在拱肋施工的状态。 通过对结构的动力特性分析，振动周期随着斜度的增大而增大，说明结构的总体柔性在 变大，但结构的振型没有发生变化。该结构主要产生拱肋的面外振动，对于刚性系杆刚性拱 桥，由于桥面系刚度较大，未出现结构的扭转振动，具有较好的抗扭性能。同时对冲击系数 的计算分析，验证了新规范中的近似公式是偏于安全的。 连续斜系杆拱桥的墩顶拱脚节点是受力较为复杂的部位，边、中跨拱肋、系杆和墩顶斜 置端横梁交汇于此，它区别于一般的系杆拱桥，本文专门进行了该节点的空间有限元分析。 探明了最不利工况下的空间应力分布情况，研究了节点的合理设计构造。 论文针对斜系杆拱桥拱肋内力不对称和活载内力占截面总内力成分较大的特点，研究了 拱轴线优化方法，并对拱轴线进行了优化，在保证拱肋为对称结构形式的前提下，使得优化 后的拱轴线在满足美观要求的同时，使得拱肋在恒载和活载作用状态下的弯矩分布更加均 匀、合理。 对桥面系横梁的正、斜布置方式引起的内力差异进行了对比分析，结果表明主要对系杆 的扭矩和横粱自身内力有较大影响，而对其它构件影响较小，并阐述了两种布置方式的适用 性。横梁与系杆斜交，属于弹性嵌固连接，分析了张拉横粱预应力对横梁、结构以及支座的 影响。 针对斜系杆拱桥受力复杂、内力不对称的情况，为了减小吊杆张拉施工对结构的影响， 进行了吊杆构造设计的系统研究。对柔性吊杆的束力确定和施工控制方法进行了探讨阐述， 同时提出了刚性吊杆的设计构思，进行了其构造设计、张拉力计算方法研究，并进行了刚性 吊杆一次张拉的模型试验论证，在具体工程中得到了成功应用，具有推广应用的价值。 关键词：连续斜系杆拱；静力性能；稳定分析；动力特性；拱脚节点；拱轴线；横梁分 析；吊杆设计 a b s t r a c t b a s e do nt h ea r c hb r i d g ea n ds k e ws t r u c t u r em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dp r e s e n ta p p l i c a t i o n s ， an e wt y p eb r i d g ec a l l e dc o n t i n u o u sa n ds k e wt i e da r c hb r i d g ew a sp r o p o s e di nt h i st e x t t a k e nt h e b i n g j i a n gr i v e rb r i d g e a sa ne x a m p l e ，s o m em a i nm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha ss t a t i c ， s t a b i l i t ya n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e sa sw e l la s5 0 m eo t h e rk e yp o i n t sa b o u tt h i sn e ws n u d 眦w e r e s t u d i e ds y s t e m i c a l l y s e r i e so f s p e c i a lm o d e l sw i t ht h eo b l i q u ea n g l er a n g i n gf r o m0t o4 0d e g r e eu s i n gf i n i t ee l e m e n t s o f t w a r e sa n s y sa n dm i d a sw e r ee s t a b l i s h e dt oa n a l y s e s t a t i c , s t a b i l i t ya n dd y n a m i c p e r f o r m a n c e s , s t u d yt h ei n n e rf o r c ed i s t r i b u t i n ga n dc h a n g i n gt e n d e n c yu n d e rt h ea c t i o no fd e a d l o a d sa n dl i v el o a d s ，c o n c l u d em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h e i ri n f l u e n t i a lf a c t o r so f s i n g l ea n d c o n t i n u o u ss t r u c t u r e sa tl a s t t h es t u d ys h o w st h a tt h es t r u c t u r ec o n c a t e n a t e da p p e a r ss o m em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa st h e c o n t i n u o u ss t r u c t u r et h a ti st h en e g a t i v em o m e n to nt o po f p i e re n l a r g e s ，t h em i d s p a nd e f o r m a t i o n d e c r e a s e sa n dt h ee n t i t ys t i f f n e s se n l a r g e s ；w i mt h ei n c r e a s eo ft h eo b l i q u ea n g l e , t h ec r o s s i n g b e a me n dm o m e n ta n dt o r q u ei n c r e a s ea n dc o u p l et oa r c h e s , i n n e rf o r c e si n c r e a s en o n l i n e a r l ya n d a s y m m e t r i c a l l y , w h i c hi sd i f f e r e n tt od i f f e r e n tc o m p o n e n t sa n ds e c t i o n s , e s p e c i a l l yt h em o m e n t a n dt o r q u eo ff h l n l a sa n dm o m e n to fa r c h e sa 把n o t a b l e ；e n dr e a c t i o n sb e s i d et h eb l u n ta n g l ea r e l a r g e rt h a no n e sb e s i d et h ea c u t ea n g l ea tt h ea b u t m e n t , w h i l et h eg a pa tt h ep i e ra n dt h es e c o n d a r y i n n e rf o r c e si sv e r yl i t t l e ；w i t ht h eb r i d g ew i d t hc h a n 百n g , m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa r es a m e e x c e p tf o rs o m eq u a n t i t yc h a n g e s w i t i lo b l i q u ea n g l ec h a n g e sr a n g i n gf r o m0t o4 0d e g r e e , t h es t r u c t u r es t a b i l i t yf a e t x ，ri s d e c r e a s i n g , b u ti t sd e c r e a s ei sa m o n g1 0 c o m p a r e dw i t ht h eo r t h o g o n a la n g l e w i t ht h ew i d t h i n c r e a s e , t h es t a b i l i t yf a c t o ro ft h er i g i df r a m er i g i da r c hb r i d g ed e c r e a s e sl i n e a r l y , s ot h ea r c h s t a b i l i t yi ss i g n i f i c a n tf o rs f a u c t u r es t a b i l i t y t h es t a b i l i l yf a c t o ri st h es m a l l e s ti nc o n s t r u c t i o n s t a g e v i b r e t i o np e r i o de n l a r g e sw i t ht h eo b l i q u ea n g l ee n l a r g i n gt h r o u g ht h ea n a l y s i so fd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c ，w h i c hs h o w st h a tt h ee n t i t yf l e x i b i l i t ye n l a r g e sw h i l et h ev i b r a t i o nm o d ed o e sn o t c h a n g e t h eo u to ft h ea r c hp l a n ev i b r a t i o ni st h em a i nv i b r a t i o no ft h en e ws t r u c t u r e 。a n dt h e t o r q u ev i b r a t i o nd o e s n ta p p e a rb e c a u s e so ft h el a r g es t i f f n e s so fd e c ka n dt h eg o o da n t i - t o r s i o n c a p a c i t yo f t h er i n df r a m e 一画da r c hb r i d g e f r o mt h ec a l c u l a t i o na b o u ti m p a c tc o e f f i c i e n t , i tc 锄 d r a wt o1 1 1 ec o n c l u s i o nt h a tt i l es i m i l a rf o r m u l a t i o ni nc e d ei sc o n s e r v a t i v e 1 1 1 ea r c hs p r i n g e ri sac o m p l e xp a r tj o i n t e db ya r c h e s ，f r a m e sa n de n d c r o s s i n gb e a m s ，s ot h i s e n t i t ym o d e lo ft h ee n di o i n to ft h ea r c ha b o v et h ep i e rw i t hs o l i de l e m e n tu s i n ga n s y sw a s e s t a b l i s h e dt og e tt h es t r e s sd i s t r i b u t i n gu n d e rt h em o s td i s a d v a n t a g es t a g e 。s t u d yt h es u i t a b l e d e s i g nd e t a i l st h e n f o ri n n e rf o r c e so fa r c h e sa l ed i s s y m m e t r ya n dl i v el o a di sl a g e rt h a nd e a dl o a d , t h ea r c ha x i s w a so p t i m i z e dt om a k et h ea r c hm o m e n tm o r ee v e na n dr e a s o n a b l eb a s i n go ns y m m e t r i ca n d b e a u t yr e q u i r e m e n t s b yc o m p a r i s o no fi n n e rf o r c e sc a u s e db yd i f f e r e n tl o c a t i o nm a n n e r s ，i tc o n c l u d e st h a tt h e r ei s g r e a ti n f l u e n c et ot h e i ro w ni n n e rf o r c e s , w h i l el i t t l et oo t h e rc o m p o n e n t s i n f l u e n c e so fc r o s s i n g l l b e a m ss t e e l ss t r e s s e d ，t o t a ls t r u c t m ea n ds u p p o r tb a r sw e r ea l s os t u d i e d a st h em e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c sa 他s oc o m p l e xa n dt h ei n n e rf o r c e sa md i s s y m m e t r i c d e s i g n d e t a i l so ft h eh a n g e rw e r es m d i e di no r d e rt od e c r e a s eh a n g e rc o n s t r u c t i o ni n f l u e n c e s c o n f i r m a 6 0 nm e t h o d so ff j e x i b l eh a n g e rf o r c e sa n dc o n h o im e t h o d si nc o n s t r u c t i o nw e t e d i s c u s s e d ，a n dt h e nad e s i g nd e t a i la n dt e n s i o n i n gf o r c ec a l c u l a t i o nm e t h o da b o u tr i g i dh a n g e r s w e r ep r o p o s e dw h i c hh a db e e nv a l i d a t e db ye x p e r i m e n t ss t r e s s e dt w i c ea n da p p l i e d1 0a c t u a l p r o j e c t ss u c c e s s f u l l y i ti sw o r t ht ob ep o p u l a r i z e d k e y w o r d a ：c o n t i n u o u sa n ds k e wt i e da r c hb r i d g e ；s t a t i cp 盯f o r m a n c e s ；s t a b i l i t ya n a l y s i s ；d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s ；e n d j o i n to f t h ea r c h ；a r c ha x e s ；c r o s s i n gb e a ma n a l y s i s ；h a n g e rd e s i g n s l i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 碱蜷各触 东南大学学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 一虢黔聊躲趣型 第一章绪论 1 1 系杆拱桥的发展概况 第一章绪论 拱桥在轿粱的发展历史上占有重要的地位，迄今为止，已有3 0 0 0 多年历史，并因其形 态美、造价低、承载潜力大而得到广泛的应用。系杆拱桥体系既具备推力拱桥的一般特征， 又有自身的独有特点。最早的系杆拱桥始于欧洲，为钢系杆拱桥，后来又建造了一系列的混 凝士系杆拱桥。2 0 世纪初，德国建造了一座4 8 m 跨度的钢筋混凝土系杆拱桥( s t a r z e r 桥，1 9 1 0 年) ；1 9 1 2 年瑞士建造了一座跨径为3 0 6 m 的钢筋混凝土系杆拱桥( g i e z e n e n 桥) ( 图1 1 ) 后来，西德等欧洲国家和日本、美国等也相继建造了许多较大跨度的系杆拱桥，其中具有代 表性的如1 9 6 3 竣工的德国的费马恩( f e h m a m s u n d ) 桥和1 9 7 3 年美国的弗门特( f r e m o n t ) 桥。费马恩( f e h m a m s u n d ) 桥是一座公铁两用的钢桥，采用了倾斜拱面网状吊杆形式( n i e l s e n 体系) ，跨度达到了2 4 8 4 m 。弗门特( f r e m o n t ) 桥是在美国饿勒冈州的维拉米特( w i l l a m e t t e ) 河上建造的一座桥。该桥将中承式系杆拱桥的跨度推进到3 8 2 6 m 的记录。 围1 - 2 黄河新城桥 近二十年来随着工程技术长足的进步和悬臂浇注、转体、劲性钢骨架、钢管拱架及预 应力等施工技术的采用一种新的结构体系一梁拱组合体系桥梁又被提出并被广泛应用 粱拱组合体系桥梁将主要承受压力的拱肋和主要承受弯矩的行车道粱组合起来共同承 受荷载，使拱与粱在受力方面的优点得以充分发挥，呈现出优良，稳定的经济指标与美观的 外形，并且兼有拱桥的较大跨越能力和简支粱桥结构轻巧、外部无水平推力、较适用于软弱 地基的特点，使得粱拱组合体系桥在6 0 2 0 0 m 跨径范围内具有较大的竞争优势。 我国系杆拱桥的发展始于二十世纪五十年代，自1 9 5 6 年公路部门在兰州新城黄河上建造 了第一座装配式预应力混凝土系杆拱桥( 图1 2 ) 到2 0 0 4 年在上海黄浦江上建成了跨度5 5 0 m 的卢浦大桥，我国已经建造了许多的系杆拱桥。短短几十年，系杆拱桥跨度从最初的几十米 到现在的几百米，拱肋材料由以前的钢筋混凝土到现在钢管混凝土、钢材，施工方法由以前 的满堂支架施工到现在的缆索拼装吊装施工。特别是最近二十年，随着桥梁工程实践的增多， 计算理论和计算手段的更新和改进，特别是钢管混凝土作为拱肋材料在设计和施工中的成功 应用，为系杆拱桥新的发展奠定了基础。 近十几年来，我国系杆拱桥建造更是屡创第一。1 9 9 0 年我国修建的第一座钢管混凝土 系杆拱桥一四川旺苍东河大桥( 图1 3 ) 。首创了钢管混凝土刚架式系杆拱桥。己经竣工的 上海卢浦大桥( 1 0 0 + 5 5 0 + 1 0 0 m ) 为中承式系杆拱桥，是目前世界上跨度最大的钢结构系杆 拱桥，其拱脚的水平推力近2 万吨，依靠锚固在两边巨大端横粱上的水平巨型拉索来平衡。 东南大学博士学位论文 正在修建的重庆菜园坝长江大桥是目前跨径最大的组合式剐构系杆拱桥，也是我国第一次采 用这种桥型。该桥主跨跨径为4 2 0 m ，主梁结构为透空的钢桁架结构，建成后将成为世界上 最大的公路，轻轨两用桥梁。 田1 - 3 四川旺苍东河大桥 臣1 - 5 天津彩虹轿 图1 - 7 台湾关渡桥 田1 - 4 兰州雁盐黄河大桥 田1 - 6 郑州二轿 圈1 - 8 大连新港海上栈桥 在系杆拱桥中比较典型的结构形式有简支下承式、刚架式和中承式。我国较有代表性的 系杆拱桥，简支式的有天津开发区彩虹大桥，为三联拱3 x 1 6 0 m ，郑州二桥八联拱8 x l o o m 。 大连新港海上栈桥，为3 x l o o m 刚拱刚梁组合f 承式系杆拱桥；刚架式的有四川旺苍东河大 桥，主跨为1 1 5 m ，雁盐黄河大桥三跨连续刚架式( 拱脚与桥墩固结) 系杆拱桥8 5 m + 1 2 7 m + 8 5 m ；中承式( 飞鸟式) 的有卢浦大桥，主跨为5 5 0 m ，广州丫髻沙大桥，主跨为3 6 0 m ， 台湾关渡桥，为5 x1 6 5 m 连续中承式系杆拱桥等等。 根据有关文献资料分析，下承式系杆拱桥一般较多设计成单跨简支形式，或多跨简支形 式，该桥型尤其在平原和水嘲地区得到了大量建造。同时也出现了一些系杆拱的演变形式， 连续梁和系杆拱的组合结构，例如沪宁高速公路南京段支线上跨桥，如图1 - 9 ，图1 1 0 所示。 图1 - 9 带边跨过渡孔系杆拱轿力学简图 2 第一章绪论 图i - 1 0 沪宁高速t 跨组合系杆拱桥图! - 1 1 哈尔滨宽城桥 根据吊杆的不同布置方式，分为竖直吊杆和倾斜吊杆两种形式。如果两片拱肋从拱脚到 跨中逐渐向内侧靠拢，通过设置横向联结构造，形成提篮拱形式。 图l - 1 2 葫芦顶大桥 如果将普通下承式拱桥竖向布置的吊杆斜向布置，由于吊杆斜向力的作用，拱轴线线型 自然偏向一边，形成偏态不对称的曲线，这就形成了异型拱结构。异型拱桥采用无推力的梁 拱组合体系，大类上仍属于系杆拱结构，保留有系杆拱的结构特点。例如河南省安阳市东风 桥，桥长5 9 7 2 m + 5 9 7 2 m 。桥宽2 2 4 m ；哈尔滨动物园1 号桥，计算跨径3 0 m 。桥宽5 7 m ； 哈尔滨内环路宽城桥( 图】1 1 ) ，跨径3 6 m ，桥宽3 1 6 m ；葫芦顶大桥是南宁市快速环路的 组成部分，位于白沙大桥下游约5 0 0 m 处。主桥为2 x 9 0 m 异型拱桥( 图l - 1 2 ) 等等。异型 拱桥的斜吊杆和异型拱圈两者组成独特的外形，与一般静态效果的系杆拱桥相比，能产生强 烈的动势效果和优美的韵律感，易与周围景观相协调。 盱冀：i ! - ， i 坫帕 ，畸l t l 嘶 密国 黟 l辨晖 圈l 1 3 法国栋泽尔高速铁路桥( 单位：_ ) 法国地中海高速铁路线上的栋泽尔高架桥1 2 0 ，由建筑师马克米姆拉姆设计，该桥是 一座边跨2 x 5 2 m ，拱跨2 xl l o 3 m ，总长3 2 4 6 m ，总宽2 0 m 的结合粱钢系杆拱桥。桥的两 片大拱由上面的一片小拱连接在一起，形成一个连续的上部结构，其结构新颖，造型美观， 见图l - 1 3 。 由宁贵霞等i 1 7 1 提出了叠合系杆拱的设计方案，叠合系杆拱桥是指采用上、下拱肋部分 3 东南大学博士学位论文 分离且拱脚( 支撑点) 分设在不同墩( 台) 上的系杆拱体系，与该体系具有相似几何造型的桥梁 在日本已建成【”i 。其主跨布置为1 2 m + 8 6 m + 1 2 m ，桥面宽2 0 m ，按双向四车道设计( 见图 1 - 1 4 ) 。 图l 1 4 钢管混凝土叠合系杆拱( 单位：c m ) 1 2 系杆拱桥的结构特点 1 2 1 结构类型 根据车辆行车道与主要承重构件拱肋的相对位置区分，拱式桥可分为上、中、下承式三 类。 中承式拱的构造介于上承式和下承式之间，其建筑造型效果较好，中承式拱桥常用在主 跨，跨径大，边跨配上承式，跨径小，一般不带系杆，通常通过边孔小跨采用小的矢跨比和 较大的恒载集度比( 如钢筋混凝土板拱、肋拱、刚架拱) 来解决不等跨的不平衡推力问题， 有时受建筑高度限制或由于其它原因，边跨也可用中承式。中承式拱桥为减少水平推力对墩 台的不利影响，可以设计成用系杆平衡水平推力的带悬臂半孔的无推力拱( 据其形状又称为 飞鸟式或飞燕式) ，它同下承式无推力拱一样又分为带悬臂刚架系杆拱和连续拱粱组合体系。 系杆拱桥属于拱式组合体系桥，一般有拱肋，吊杆、系杆、行车道梁( 板) 、桥面系等 组成。把这些基本结构设计成不同的组合形式以共同承担荷载，就可以构成不同类型的拱式 组合体系桥。由于拱肋与行车道梁的联结方式可以有多种形式，一般可划分为有推力和无推 力两种类型的拱式组合体系。 无推力的拱式组合体系桥由于是外部静定结构，故兼有拱桥的较大跨越能力和简支粱桥 对地基适应能力强的两大特点，所以当桥面高程受到限制而桥下又要保证较大的净空，或当 墩台基础条件不良易发生沉降，但又要求保证较大的跨度时，无推力的拱式组合体系桥梁便 具有较好的适应性。国内曾在天津、山东、江苏、安徽等地修建过5 0 7 5 m 跨径的钢筋混凝 土无推力拱式组合体系桥梁，跨越运河、宽浅河流和地质不良地段。 早期修建的下承式系杆拱桥一般为钢筋混凝土结构，跨径也不大，在使用过程中发现系 杆和吊杆有开裂现象，之后使用较少。直至九十年代初，随着钢管混凝土、预应力技术和施 工技术的发展，特别是由于该桥型自身的特点，下承式系杆拱桥又得到了越来越多的应用。 根据拱肋与系杆的相对抗弯刚度大小，下承式系杆拱桥一般可分为三种形式，a ) 刚性 系杆柔性拱( ii l * 1 0 ) ；b ) 柔性系杆刚性拱( ii i # o 1 ) ；e ) 刚性系杆刚性拱( 0 1 i i i # 1 0 ) o 应该说，系杆的存在是区别系杆拱桥和一般推力拱桥的主要特征。随着刚度的不同，系 杆的作用也是不同的，在柔性系杆刚性拱中，系杆主要起拉杆的作用，仅受拉力；在刚性系 杆刚性拱中系杆具有一定的刚度，要承受轴力和弯矩；在刚性系杆柔性拱中，刚性系杆除承 受水平推力外，也成为主要受弯的构件。拱肋有钢筋混凝土结构的，有钢管混凝土结构的以 及钢骨棍凝土结构的或者空间格构式钢管混凝土结构的。系杆一般为预应力混凝土结构，这 种形式系杆既能受拉又能受弯，属拉弯结构；或者做成柔性系杆，仅承受拉力，为纯拉构件。 4 第一章绪论 吊杆则采用高强预应力钢束下承式系杆拱桥，桥面荷载通过横梁传给吊杆，再由吊杆传至 主拱结构，最后再经由系粱支座传力至下部结构，主拱的水平推力则由系梁承担。并不传给 下部结构。其次，系梁和拱肋均有一定的刚度，共同承受荷载，亦即都承受轴向力和弯矩。 系梁和拱肋端部刚性连接承受轴向力和弯矩，为外部静定、内部超静定结构。 1 2 2 桥型特征 单跨简支下承式系杆拱桥得到如此多的应用，正是由于其自身的结构特点决定的。它内 部超静定而外部静定，故无支座水平推力，桥面建筑高度较小，跨越能力较大，对于桥下通 航净空要求高的平原河网地区、地基不良地段的桥位处，更具有明显的优点。这种结构型式 可以降低桥头填土高度，节省工程造价，它既可布置成单跨形式，也可以布置成简支多跨形 式，使设计人员在桥型布置时很方便，尤其在4 0 m 以上的中等跨径的结构型式中又增添一种 使用的可选型式，同时从美学角度考虑，亦不失为一种令人满意的造型。 总体来说，下承式系杆拱桥有如下一些特征： ( 1 ) 结构特征：作为一种无推力的自平衡的拱桥体系，突破了有推力拱桥对墩、台和 地基要求甚高的限制，从而大大提高了其适用性。另外，外部简支内部超静定的系杆拱桥， 对地基的不均匀沉降敏感度小，适用于软基或较高的墩身。 ( 2 ) 受力特征：类似于悬索桥的吊杆和斜拉桥的拉索，系杆拱桥的吊杆对桥面系形成 弹性支撑，可以有效地减小主梁弯矩；作为无推力结构，相对一般拱桥，其弯矩和剪力要大 大减小，这样就充分发挥了了拱承压能力高的特点；系杆拱桥的抗弯能力主要来自于拱肋压 力和系杆拉力所组成的内力偶。 ( 3 ) 构造特征：系杆拱桥是一个受力十分明确的结构，其节点构造也要求具有传力明 确，有足够强度和刚度。因此连接构造既重要又复杂是系杆拱桥主要构造特征。首先支承节 点是全桥轴向力和竖向反力相互交汇的地方，其应力特别复杂，集中，又是预应力锚固端， 是全桥最重要的节点；其次吊杆的上下节点是把桥面系重量传递到拱肋的关键构造。 ( 4 ) 美学特征：系杆拱桥一般为下承式或中承式，拱肋高出桥面以上很多，既保留着 拱结构的阴柔之美，还可以通过拱面及吊杆造型来展示变化。从许多已建成的系杆拱桥来看， 无论从桥的正面或侧面来看，均具有非常好的视觉效果。 根据上、下部结构的连接方式，下承式系杆拱可分为两种形式，一种是上下部之间刚接， 系杆不参与桥面系受力，为纯拉杆，称之为刚架系杆拱。另一种是上部结构简支于墩台上， 通常情况下系杆属拉弯构件，因而属于拱粱组合结构体系。第一种方式由于拱墩固结，可象 一般固定无铰拱一样采用无支架施工，且横向稳定性也较好，但属于高次超静定结构，活载 内力和次内力对下部结构影响较大。采用第一种方式的如旺苍大桥、绍兴柯桥、南海佛陈大 桥等。第二种方式结构受力明确，为外部静定、内部超静定结构，下部结构类似梁桥，但节 点处理和拉杆张拉调整困难，支座构造复杂，施工需采用少数支架或整片浮运，主要运用于 江南水乡河网地区，如江苏无锡新安北桥、浙江义鸟簧园桥等。根据有关资料分析，下承式 系杆拱桥一般较多设计成单跨简支形式，或多跨简支形式。 1 3 连续系杆拱桥 在近几年又出现了中等跨度的正交多跨连续形式的下承式系杆拱桥，例如通吕一号桥为 三跨4 0 m + 6 0 m + 4 0 mf 承式连续系杆拱桥，盐城至南通高速公路上的大丰互通立交主线桥也 为三跨3 8 m + 6 5 m + 3 8 m 的f 承式连续系杆拱桥等等。在横断面上较多的设计成双拱肋形式， 有时根据具体情况也有单拱面式以及二拱面式结构。多跨连续下承式系杆拱桥属于连续梁拱 5 东南大学博士学位论文 组合式桥梁。 连续粱拱组合式桥在受力特征上是典型的三元结构，即由活载分布构件、力的传递构件 及主要承重构件组成。其中，系梁与横粱、桥面板共同作用为活载分布构件，吊杆( 或与立 柱一起) 为力的传递构件，而拱肋及系粱为重要承重构件。可见系梁不仅仅是活载分布构件， 而且也是承重构件的一部分。因此其受力机理是双重的。由以上二种主要构件共同组成了粱 拱组合桥的整体承载体系。成桥后的连续梁拱组合桥其外部支承条件与连续梁基本相同，支 座处只产生竖向反力，反映出连续梁的受力特点。 卜堡啦一些堕l j 坚兰业i f ，1 = 1 ，3 5 - 1 1 6 m d ) 上承式；b ) 中承式；c ) 下承式 图1 一1 5 连续粱拱组合桥 连续粱拱组合式桥总的受力特点是，从结构内部受力情况来看，荷载在拱与梁中产生的 内力大部分转变为它们之间所形成的自平衡体系的相互作用力：而荷载对于梁拱组合结构外 部约束条件所引起的总体受力效应，也因其构造特点而变成另一形式的作用效应。从而，拱 的水平推力与梁的轴向拉力相互作用，拱与梁截面的总弯矩等效为主要由拱受压、梁受拉的 受力形式，剪力则主要成为拱压力的竖向分力，使得剪力不再是粱强度的控制条件之一。其 受力性能有以下特点： ( 1 ) 下承式连续梁拱组合桥的拱通过对中跨的加强使内力重新分布，并将荷载由拱直接 传递到支点，中跨与边跨内力的相互影响丈为减弱，边跨出现负反力的可能性大大减小，使 边跨的跨度达到了最小值。中跨较大的剪力主要由拱压力的竖向分力抵抗，而边跨较小的剪 力可由边跨粱承受。 ( 2 ) 中承式连续粱拱组合桥，是一种较适合连续桥梁受力特点的结构，在弯矩较大的跨 中和中支点处拱与梁的相对距离增大，此时拱受压、粱受拉成为该桥抗弯的最佳受力状态， 而在剪力最大的中支点处，拱轴线与水平线呈最大倾角，拱压力的竖向分力有效地平衡了剪 力。 ( 3 ) 上承式连续粱拱组合桥是通过加强中支点段改变内力，并在跨中段拱粱合一达到最 小建筑高度。拱压力及其上加劲梁拉力能有效抵抗负弯矩，而拱压力的竖向分力也成为抗剪 的主力。 6 第一章绪论 ( 4 ) 连续梁拱组合桥的边跨与中跨之比较小，可最大限度地提供通航空间、缩短桥长， 而且也使主要承受负弯矩的短边跨受力更适合构造特点及预应力钢筋的布置。对于下承式粱 拱组合桥，拱对中跨强有力的加劲与梁拱组合的相对封闭作用，在很大程度上阻止了中跨与 边跨之间荷载的相互传递，中支点几乎成了中跨与边跨的隔离点。边跨不容易出现负反力， 其受力主要取决于跨内的荷载情况。 ( 5 ) 矢跨比对结构整体受力与变形至关重要。采用较小的矢跨比，拱压力的急剧上升必 须取用更大的截面，粱内巨大的拉力必须配以更多的预应力钢筋，而无法改变的是梁拱组合 结构整体抗剪刚度的下降。 ( 6 ) 上、中承式连续梁拱组合桥的结构内部，仍然具有连拱的某些受力特点调整中跨 与边跨拱支点的相对高度，以保证恒载对于拱座的力矩达到最小。 就三跨连续下承式系杆拱桥而言，造型美观，跨越能力大，属于外部两次超静定，内部 多次超静定结构。三跨连续下承式系杆拱桥梁总体上的受力符合连续梁拱组合式桥特点，但 也有自身的特点： ( 1 ) 三跨拱梁连续组合结构是借鉴双肋单孔系杆拱及连续粱桥的力学模式而构思的一 种新桥型。三跨连续梁桥的中支座处负弯距相当大，而三跨连续系杆拱中支座处的负弯距比 较小，且系杆拱的拱脚顶面有相当的压力( 轴线以上) ，若把两个下承式拱的拱肋系杆轴线交 点重合在一起，这样就有了免费预压力来克服系杆拱连续以后产生的负弯距。 ， ( 2 ) 桥型新颖，轻巧美观，视野开阔，与三跨简支系杆拱桥相比墩台尺寸轻巧，节省了 大量的桥梁下部工程量，且上下部结构尺寸比例协调，简洁美观。 ( 3 ) 建筑高度低，由于负弯矩小，其建筑高度大大低于同等跨度的预应力混凝土连续 梁桥。 1 a 斜系杆拱桥 为了提高道路的通行能力，对路线线形要求越来越高，为保证线形的顺畅，桥梁走向就 必须服从路线的整体走向。公路建设部门一改过去路线走向服从桥梁的思维方式，使得斜交 结构在桥梁工程中被越来越多地使用，而对斜交桥梁的分析与研究也日益受到广大学者的重 视。 根据对国内外的这种桥梁型式的资料调查，下承式系杆拱桥都为正交形式，即为正桥。 由于近几年来，公路交通的发展尤其是公路技术等级的提高，路线线形技术标准的要求也相 应提高了，使路线与河道经常出现斜交的情况。根据有关调查资料，对于4 0 m 跨径以内的 情况，一般可以把桥梁设计成与道路轴线重合的斜交板桥、斜t 梁桥及组合斜l 粱桥和斜组 合箱梁桥等形式。更大跨径时，连续斜支承梁桥、连续斜刚构桥等常采用，并已有一些这方 面的桥例。在拱式桥体系中，也有过斜上承式肋拱桥、斜石拱桥和斜双曲拱桥等结构形式。 这些结构设计可以缩短桥长、减少桥梁工程量，节省工程造价。当某道路与河道轴线为 斜交，从总体上可考虑采用下承式系杆拱桥结构型式，如主跨要求跨径较大，简支梁结构难 以实现，而设置边跨又无余地或不必要时，则在4 0 m 跨径以上一定范围，往往可采用单跨 下承式系杆拱桥方案。这时若斜交正做，则肯定要加大桥梁跨度。由于为拱式结构，随着跨 径加大，桥面系、横梁数量、吊杆数等均要增加，拱肋和系杆尺寸均要加大，同时支座反力 的增大也使下部结构造价增加。如采用斜系杆拱桥形式，则桥梁长度可缩短，造价降低。笔 者参与了黄石大桥单跨斜系杆拱桥的设计和分析，桥梁概况如下。 黄石大桥系无锡城市外环广石路上的一座桥梁，位于锡澄运河上。锡澄运河起自江阴长 江口，直通至京杭运河无锡段，为内河五级航道。河道水面宽约7 0 r e ，两岸为麻袋、片石 护坡防洪堤。地质构造般，表层硬壳层下有近l o r e 淤质亚粘土层，持力层为中等压缩性 7 东南大学博士学位论文 亚粘土层。桥梁设计荷载为汽车一2 0 级、挂车一l o o ，人群荷载为3 5 k n m 2 ，桥梁净宽为 1 2 m 。 根据运河的通航要求。桥梁净跨要求不小于3 8 m ，路线与航道中心线斜交角度为2 5 。 鉴于通航净空和路堤高度的制约，桥梁宜选用建筑高度低的结构。桥位南侧百余米处有一处 大型黄砂交易码头，有千吨级船只自长江进入，再通往京杭运河。结合桥址处的条件，可以 考虑的桥型有预应力混凝土连续梁桥、预应力混凝土连续刚构及下承式预应力混凝土系杆拱 桥等。因路线中心线与航道斜交2 5 。在桥型选择时考虑到若斜桥直做，主墩将影响锡澄运 河的防洪设施；主跨采用9 0 m 一跨过河方案，投资额将大幅度增加。预应力连续粱和预应 力连续刚构，斜桥结构复杂性，建筑高度高，不宜采用，经比较选用斜交系杆拱桥。因此最 终选定了主跨5 0 m 预应力混凝土系杆拱斜桥、边跨为2 5 m 的预应力t 粱，该方案在功能上 满足使用要求，同时以独特的方式体现出桥梁结构的力学美。 锡澄运河黄石大桥运营几年来。使用情况良好。实践证明，斜交斜做的系杆拱桥在技术 和施工上是完全可行的。这种桥型的出现并非刻意的标新立异，完全是处于适应工程环境而 为之。该桥的建成使用扩大了系杆拱桥的应用范围，是一次有益的尝试。 1 5 连续斜系杆拱桥 从常规系杆拱桥到异形结构和各种组合粱拱形式，从正交单跨简支系杆拱桥发展到单跨 斜交系杆拱桥，那么从正连续系杆拱桥出发，提出连续斜系杆拱桥也就是很自然的事了，它 同样具备通常斜交和连续结构的一些优点，丰富了新桥型的种类，而是系杆拱桥结构不断发 展的必然趋势。 泰兴滨江大桥位于江苏省泰兴经济开发区北侧，西邻长江，横跨如泰运河入江口。滨江 大桥主桥首次提出设计为三跨连续斜下承式预应力混凝土系杆拱桥，斜度为左斜2 0 。计算 跨径组合为4 8 m + 7 2 m + 4 8 m 。施工过程中桥梁造型和局部构造如图1 1 6 1 1 9 所示。 圈1 1 6 滨扛大桥侧面图图l 1 7 滨江大桥正面图 图l 一1 8 滨江大桥墩顶拱脚节点 图l 一1 1 9 滨江大桥斜置横粱构造 8 第一章绪论 桥梁上部结构中跨矢跨比为1 ：5 ，计算跨径为7 2 米，矢高为1 4 4 米。钢管混凝土拱肋， 拱轴线方程为y = 4 ：x 仨一x ) l 2 的两次抛物线；预应力混凝土系杆采用箱形断面，在拱 脚处变更为矩形断面，同时加宽加高；吊杆为矽2 9 9 m m 、壁厚1 0 r a m 的无缝钢管、内穿9 根毋1 5 2 4 m m 的钢绞线，吊杆管内灌注细石子混凝土；预应力混凝土横梁由中段横梁和悬 臂段横梁组成，通过湿接头形成双悬臂梁：普通钢筋混凝土桥面板采用矩形断面，行车道板 高度为2 0 c m ，人行道板高度为1 2 c m 。 三跨连续下承式系杆拱的边跨矢跨比为l ：5 ，计算跨径为4 8 米，矢高为9 6 米。钢管混 凝土拱肋，拱轴线方程也为y = 4 彦忆一x ) 的两次抛物线；其它构件均和中孔的相同。 桥面为防止车辆撞击吊杆，机动车道设置了防撞栏杆。 道路等级：市政道路。 设计荷载：汽车超2 0 级：挂车一1 2 0 ；人群3 5 k n m 。；各类管线一1 4 0 k n m 航道等级：v 一( 3 ) 级限制性航道，b m = 4 5 m ，b = 3 9 m ，h m = 5 m ，h = 3 5 m ，最高通航 水位2 9 0m ( 黄海高程) 。 桥面宽度：总宽2 2 m ，1 4 m ( 机动车道) + 2 1 s m ( 分隔带) + 2 2 ，5 m ( 人行道) 。 根据桥梁轴线和河道轴线斜交，采取斜交斜做的三跨拱粱连续组合结构设计方法。三跨 拱梁连续组合结构是借鉴双肋单孔系杆拱及连续粱桥的力学模式而构思的一种新桥型，主要 设计构思和结构特点如下： 1 ) 三跨连续梁桥的中支座处负弯距相当大，而三跨连续系杆拱中支座处的负弯距比较 小，且系杆拱的拱脚顶面有相当的压力( 轴线以上) ，若把两个下承式拱的拱肋系杆轴线交 点重合在一起，这样就有了免费预压力来克服系杆拱连续以后产生的负弯距。 2 ) 该桥新颖，轻巧美观，而且边、中孔拱肋间不设置风撑，桥上视野开阔，与当地自 然环境相协调。由于采用了= 跨连续，桥下墩台尺寸就显得轻巧( 和三跨简支系杆拱桥相比) ， 不但节省了大量的桥梁下部