大跨度中承式拱桥结构体系

2 0 1 3 年 7 月第 7 期 城 市道桥与 防洪 桥梁结构 6 9 大跨度中承式拱桥结构体系 冯希训 徐利平 张 丛 1 天津 市市 政工 程设计 研究 院 天津 市3 0 0 0 5 1 2 同济 大学 建筑设 计研 究 院 上 海市 2 0 0 0 9 2 摘要 将大跨度 中承式拱桥的结构体系归结为有推力单拱体系 自平衡连拱体系 自平衡刚构式连拱体系 刚构与下承式拱组 合体系 具有梁桥支承体系的连拱结构等 5 种结构体系 并分析了这 5 种结构体系的受力 传力规律 结合已建实际工程案例 总 结了各体系总体设置参数及构造形式 关键词 大跨度 中承式拱桥 结构体系 中图分 类号 U 4 4 8 2 2 文献 标识码 B 文章编 号 1 0 0 9 7 7 1 6 2 0 1 3 0 7 0 0 6 9 0 4 0引言 在 目前 的大跨度桥梁设计 中 中承式拱桥是 优先 考虑的桥 型之 一 它具有优越 的力学特点和 广泛 的适用场合 许 多拱桥 为避 免两岸桥台及基 础 的水 中施工 困难 和拱肋 防撞 问题 起拱线设于 常水 位或低水位之 上 在一定 的跨 径和矢跨 比条 件下 拱的矢高远大于起拱线与桥面标高间的距 离 就无法采用上承式 而多采用 中承式 海诺 嗯戈尔将结构体系定义为 结构内部 荷载的传递方式以及为保持结构内部平衡而形成 的内力状态 针对中承式拱桥 一般而言其传力 方式 为 桥 面荷载直接作用在桥面上 对于 以拱为 主要 承重构件 的结 构体 系 桥道 系把作用力通过 吊杆和立柱传递到主拱肋上 主拱肋又把这些作 用力传 递到拱 座和地基 形成传力 主从结构 对于 以梁 为主或拱梁共 同承重 的结构体 系 还有一部 分桥面荷载由系梁来承受 但是 随拱 梁间结合 方式不 同 最终又表现出不 同的受力状态 目前文献 关 于 中承式 拱桥受 力特 性 的研 究 主要集中在某座具体拱桥或者拱肋 横撑 吊杆 主梁 等某个具体构件上 缺乏对 中承式拱桥结构 体系的系统分类和研究 本文将大跨度中承式拱 桥的结构体系分为 5 种 即有推力单拱体系 自平 衡连拱体 系 自平衡 刚构式连拱体 系 刚构与下承 式拱组合体 系 具有梁桥支承体系 的连拱结构 旨 在分析这 5 种结构体系的受力 传力规律 并结合 已建实际工程案例 总结各体系总体设计参数及 构造形式 供类似设计参考 1 大跨度中承式拱桥结构体系 通 过对 已建大跨 度 中承式拱 桥 的构造形 式 收稿 日期 2 0 1 3 0 2 0 5 作者简介 冯希 训 1 9 8 4 一 男 山东德 州人 硕 士 工 程师 从 事桥 梁设计工 作 受力特点进行对 比研究 现将 中承式拱桥结构体 系分为 以下 5种 1 1 有推力单拱体 系 单拱体 系即一孔跨越河流 山谷等 障碍 的单 孔拱桥体系 主拱圈是主要承重构件 承受桥上全 部荷载 并通过其拱脚传给墩台与基础 单拱体 系 拱桥按 照主拱 的静力特点又可分为三铰拱 两铰 拱 和无 铰拱 而单跨 中承式拱桥多采用有推力 的 无铰拱体系 无铰拱属外部三次超静定结构 在 自 重及外荷 载作用下 拱 内弯矩分布均匀 材料用量 省 但是 由于其超静定次数高 温度变化 材料收 缩徐 变 结构变形 墩台位移均会在拱 内产生较大 附加力 所 以无铰拱一般建造在地基 良好 的条件 下 但是 附加 内力的影响会随着跨径增大而相对 减小 故无铰拱仍是大跨度桥梁采用较多 的一种 构造形式 特别适用于能一跨跨越河流 山谷 的西 部 山区地带 如图 1 所示 广西邕宁 邕江大桥 四川 宜宾南门金沙江大桥 重庆巫山巫峡长江大桥即采 用该种体系 其总体设计参数 构造形式见表 1 1 2 自平衡连拱体 系 连拱 即连续 的多孔 拱桥 当支承在 有 限刚 度桥 墩上时 某一孔受到活载作用 其拱脚连 同桥 墩墩顶将一同发生位移和转角 引发连拱效应 自平 衡 即在两 边拱端部 张拉 系杆 以平衡恒 载 作用 下中墩基础 的水平推力 因此 中墩基础 只承 受温 度荷 载 活载等产生 的水平推力 能适应软 土 地基地质条件 采用 自平衡连拱体系 的较大跨度 中承式拱桥 多配合无 主梁 的 横梁 桥面板 桥道 系形式 通 常将较大跨一孔的矢跨比做大以减小大跨的水平 推力 并通过边拱来平衡主拱产生的水平推力 亦 常在两边跨端部横梁之间设置柔性系杆来平衡恒 载作用下连拱剩余的水平推力 见图 2 广州 r 髻 沙大桥 武汉市江汉五桥 南 昌生米大桥 即采用 自 平衡连拱体系 其总体设计参数 构造形式见表 2 7 0 桥梁结构 城 市道桥与 防洪 2 0 1 3 年 7 月第 7 期 图 1 单跨 无铰拱体 系 表 1 已建有推 力单拱体 系大跨度 中承 式拱桥 总体 设计参数及构 造形式 图 2 自 平衡 连 拱 体 系 1 3自平衡刚构式连拱体 系 边跨主梁与边拱肋 桥 面以下 主拱肋 拱上立 柱组成刚性三角区 主梁为承受轴 向压力与竖 向 弯曲的压弯构件 桥面以上主拱肋与三角刚构在 拱 梁处 固结成 为一体 中跨系梁通过竖 吊杆悬 吊 在 主拱 圈上 可通过牛腿与边跨 形成简支挂 孔结 构 也可在与主拱及 中横梁相交处设 置支座 伸缩 缝及阻尼器 成为一个独立的漂浮体系 无轴向压 力 只承受竖向弯 曲 在两边跨 端横梁间张拉水平 拉索 相 当于系梁 的体外索 通过张拉桥 面预应力 索 可使 中墩基础的水平反力在恒载作用下趋 于 0 只承受温度 车辆 等活载产生 的水平推力 如 图 3所示 上 海卢浦大桥即采用该种结构体系 其 总 体设计参数 构造形式见表 3 1 4刚构与下承式拱组合体 系 与刚构挂孔体系类似 边跨主梁与边拱肋 桥 面以下 主拱肋组成刚性三角区 根据边 主梁 的承 载情 况确定是否设置拱 上立柱 边跨 刚构 相对 于拱座 具有强大的刚度 为主跨中间钢拱肋提供 延性支撑 减小主拱跨度 桥面以上主拱肋与三角 刚构在拱 梁处固结成为一体或通过牛腿支承在 表 2 已建 自平衡连拱 体系大跨度 中承式拱桥 设计参数 及构造形式 形 妻 囊 边 面 囊 拱 肋 截 面 蔷 凝 土 拱 肋 截 誊 嚣 蕈 蓁 边 拱 R 箱 粱 塑 R c 矩 形 截 面 嘉 募 囊 呈 嫠 边 拱 R c 矩 形 截 面 箸 0 鬟3 蓁 拱边界 于拱 座 边跨 端部 喜 军 h嚣 嚣 合的方式连接 在 设盆式 橡胶支座 盖箸 个 主 墩处 固结 一形 式 耄 RC 茎 髫 桥 面 系 形 式 形 钢 纵 梁 预 制 混 翟 力 横 粱 槽 形 桥 凝 土 形 桥 面 板 一 面 板 钢 横 粱 和 拱 肋 立 桥 面 板 在 与 拱 桥面系 与拱柱 间 设 双 向 活 动行车 道板 支承 于横交 接 处 支 撑 在 肋连接方 式抗 震球 形支 座 释梁上 漂浮体 系 肋 间 横 梁 上 并 放弯 矩和温度力 设 伸缩 缝 图 3 自平衡 刚构 式连拱体 系 两边刚性三角区上 不 同之处 为 通过张拉 中跨 问系杆平衡主拱 的水平推力 桥面以上 主拱肋与 中跨主梁形成下 承式 系杆拱桥 而边跨 系杆一部分用于平衡主拱 的水平推力 另外一部分作为三角刚构的体外预 应力平衡作用在前 悬臂上的集 中作用力 如 图 4 所示 重庆菜园坝长江大桥 广州新光大桥即为此 种体 系 其总体设计参数 构造形式见表 3 图 4 刚构与 下承式拱组合体 系 2 0 1 3 年 7 月第 7 期 城市道桥与防 洪 桥梁结构 7 1 桥宽 m 2 9 8 3 7 6 2 上 层 3 0 5 下层 2 3 麓 矬蓁 边跨拱梁固结 刚性三角区 中跨 边界条件 两端支承于拱肋横梁并 设纵 横阻 尼限位装置 漂浮体系 边 跨 拱 梁 固结 下 承 系杆 拱 中跨 吊杆 支 承 钢横 梁 三 角 刚 架处 钢 横 梁下设球形支座 端部设毛勒式伸缩 缝与纵梁构成格子梁 半漂浮体系 主梁通过盆式橡胶支座支承于边 侧 墩顶横梁上 通过吊索弹性支撑于 Y 形刚构前次横梁上 拱座 边拱肋端部渐变为箱形截面 内有焊 篓 Y 删 土并设预应力粗钢筋和普通钢筋 施工方法 支架浇注 Y形 刚构 并张拉 预应 力柬 喜 案 箍 篱 委 羹 杆索 并调整边 中跨索力 1 5 具有梁桥支承体系的连拱结构 主梁分别在 与边拱肋 主拱肋 交汇处 固结 另 外通过立柱 吊杆与拱肋相连 做成拱 梁 固结体 系 在构造上可以处理成完全无水平多余约束或 在成桥后才形成多余约束两种方式 因此 即使有 水平多余约束也在桥梁建成后起作用 而大部分 永久荷载并不引起水平推力 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 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 如 图 5 所示 该体系用于刚度要求较高的大跨度桥梁 时 常见于中承式连续钢桁架拱桥 如刚建成的重 庆朝天门长江大桥 南京大胜关长江大桥 其总体 设计参数 构造形式见表 4 7 2 桥梁结构 城 市道桥 与防洪 2 0 1 3 年 7 月第 7 期 2 结 语 图 5 具有连 续梁桥支 承体 系的连 拱结构 本文将大跨度 中承式拱桥的结构体系归结为 有推力单拱体系 自平衡连拱体系 自平衡刚构式 连拱体系 刚构与下承式拱组合 体系 具有梁桥支 承体系的连拱结构等 5 种结构体系 并分析了这 5 种结构体系的受力 传力规律 结合已建实际工程 案例 总结了各体系总体设置参数及构造形式 通 过本文 希望可以加强对中承式拱桥结构体系更 高层面上 的认识 了解 中承式拱桥不 同结构体 系 的力学特性 亦可为大跨度 中承式拱桥设计提供 参考 参 考文献 1李 国平 连续拱梁组合桥的性能与特点 J 桥梁建设 1 9 9 9 1 1 0 1 3 2 徐风 云 四川 宜宾南 门金沙 江大桥 施工 桥 梁建设 1 9 9 2 3 2 0 2 9 3 陈剑 邕宁邕江大桥设 计与施工 J 广西交通科 技 2 l 2 1 6 4 牟廷美 巫 山县巫峡 长 江大桥技 术进 步研究 J 西 南公路 2 0 0 6 3 3 4 3 7 5 徐升桥 任为隶 艳明 丫髻沙大桥主桥设计U 桥梁建设 2 0 0 0 3 2 9 3 3 6 唐黎 明 鲁应 慧 刘 新痴 等 武 汉市江 汉五桥 的设计 I J J 城 市道 桥 与 防洪 2 0 0 0 2 9 9 1 0 0 7 李映 郑本辉 郭文复 南 昌生米大桥主桥结构构造 和受力 分析l J 世 界桥梁 2 0 0 0 3 8 1 1 8 岳贵平 卢浦大桥主桥系梁设计们 上海建设科技 2 0 0 3 1 2 2 2 4 9 李 跃 罗 甲生 张健 峰 广 州新 光 大桥 建设 概 况 f J 1 中外 公路 2 0 0 7 2 7 1 8 6 9 1 1 O 孙 竣岭