无风撑异形钢箱拱肋系杆拱桥受力分析

总第２６５期　２０１４年第４期　交通科技　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　８Ｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｓｅｒｉａｌ　Ｎｏ．２６５　Ｎｏ．４　Ａｕｇ．２０１４　无风撑异形钢箱拱肋系杆拱桥受力分析　熊礼鹏　（武汉市政工程设计研究院有限责任公司　武汉４３００２３）　摘要介绍了无风撑异形拱桥的结构特点和设计构造，结合有限元的数值计算方法，分析了结　构的主要受力特点。采用第一类弹性稳定分析方法，对成桥状态和运营状态进行了稳定性能的计　算分析。结果表明：由于异型拱桥的非对称性，结构受力也呈现非对称性，拱肋应力呈Ｓ形分布。　对于刚拱刚梁结构体系，桥面系刚度较大，结构的失稳主要表现在拱肋的面外失稳。　关键词　异型拱桥　系杆拱桥　钢箱拱肋　结构分析　稳定分析　随着城市桥梁对桥梁审美要求的提高，近些　年出现了一些造型新颖的异形拱桥。异形拱桥与　一拱桥在形态感情上产生了栩栩如生的生命感，满　足了桥梁设计中日益重视的景观要求。目前，国　般拱桥不同，它是将吊杆按同一斜率布置，拱肋　内已建成数座这种类型的异形拱桥，其相关资料　及主要技术指标见表１　Ｃ　引。　采用偏态的曲线，这就使得异形拱桥在比例方面　产生了独特的动态效果。强烈的动态效果使异形　髋一一　４　７　６　０　Ｏ　９　５　０　５　０　吊杆斜率　年份　１９９２　ｌ９９２　表１国内已建主要异形拱桥一览表　排序　１　２　３　４　５　桥名　安阳市东风大桥　哈尔滨市动物园１号桥　哈尔滨市内环东路宽城桥　北海市北海大道西路立交桥　沈阳市新开河异型拱桥　跨径组合／ｍ　５９．７２＋５９．７２　３Ｏ　３６　矢跨比ｆ／Ｌ　１９９３　３６＋３６　２Ｏ＋２Ｏ　５６．５＋５６．５　６０＋６０　３０＋３０　７２＋７２　８Ｏ＋８０　１９９６　１９９７　２００５　６　７　８　９　福州某大学异型拱桥　长沙黄柏浏阳河大桥　江苏盐通机耕桥　莆田城港大桥　２００６　２００６　２Ｏ１０　２Ｏ１Ｏ　１Ｏ　宁波兴慈八路跨十塘横江桥　异形拱桥是一种由普通拱桥发展而来的新型　桥型结构，其外形美观、造型独特。它以独特的构　门”中之鲤鱼。本桥根据经济合理和施工难度适　中的原则，采用单跨６０　ｍ的下承式异形系杆拱　桥，矢跨比采用１／４，吊杆斜率１：１．２５，桥面宽度　为２３．９　ｍ。横断面布置为：（０．２５　１ＴＩ栏杆＋２．０　ｍ人行道＋２．５　ＩＴＩ非机动车道＋２．２　ｍ拱肋＋　０．５　ｍ防撞护栏＋４．５　ｍ机动车道）×２。主梁采　造形式来满足桥梁美学要求，随之也带来了结构　受力上的复杂化问题，因此对异形结构合理拱轴　线的选取、结构受力分析以及整体稳定性的研究　是十分必要的。　１工程概况　用双肋板式预应力混凝土结构，纵向每隔４．０　ｍ　设置１道横梁（拱脚区为３　ｍ）；拱肋为１．８　ｍ×１．　８　ｍ钢箱形截面，板厚为２５　ｉＤ．ｍ；吊索采用整体挤　压式钢绞线成品索，拱肋端为叉耳式锚具，梁端为　螺母式锚具，吊杆间距４　ｍ。主桥横向布置２条　拱肋，２拱肋平行，拱肋之间不设置风撑，桥梁的　１．１　桥型方案　本文以某异形拱桥为工程背景，该桥为景区　内的景观桥，桥梁景观设计结合该地区“渔文化”　的特点，桥梁结构采用斜吊杆和异形拱圈两者形　成“鲤鱼”的形象，寓意“年年有余”，亦“鲤鱼跳龙　收稿日期：２０１４—０２—２５　总体布置及断面见图１，图２。　熊礼鹏：无风撑异形钢箱拱肋系杆拱桥受力分析　２０１４年第４期　日里＼Ｒ域　们∞∞∞∞∞∞０　０　１０　２０　３０　４０　５０　６０　主梁纵桥向／ｍ　图５　钢拱肋标准组合上下缘应力图　由图５可知，钢拱肋上下翼缘的应力分布不　对称，也不均匀，应力分布曲线呈Ｓ形。由于弯矩　和轴力的分布不均匀，导致在陡拱侧上下缘应力　差别较大，在坦拱侧上下缘应力差别较小；截面最　大压应力为１２５　ＭＰａ，出现在坦拱侧拱脚附近；截　面最小压应力为１６　ＭＰａ，出现在陡拱侧的上缘。　＼复　　０　１０　２Ｏ　３０　４０　５０　６Ｏ　主梁纵桥向／ｍ　图６　混凝土主梁短期组合上下缘应力图　星　０　ｌＵ　２０　Ｕ　４０　ｂＵ　ｂＵ　主梁纵桥向／ｍ　图７　混凝土主梁长期组合上下缘应力图　由图６～图７可知，由于斜吊杆水平分力的　作用，主梁陡拱侧下缘压力较大；同时由于拱脚弯　矩的作用，使得上缘应力较小。在短期组合作用　下，主梁上缘最大压应力为４．３　ＭＰａ，下缘最大压　应力为１Ｏ．１　ＭＰａ，出现在陡拱侧拱脚处；在长期　组合作用下，主梁上缘最大压应力为６．２　ＭＰａ，下　缘最大压应力为１０．３　ＭＰａ，出现在陡拱侧拱脚　处，满足Ａ类预应力构件的设计要求。　３．２整体稳定性分析　本桥出于美观考虑没有设横撑，取消横撑后　主要通过以下措施解决拱肋的横向失稳问题：　①提高拱肋自身的横向抗弯刚度；②提高结构体　系的横向稳定性。该桥为刚拱刚梁的结构体系，　拱肋采用大截面箱形钢拱肋提高拱肋的横向抗弯　刚度；系梁采用双肋式板梁，２拱肋在拱脚处通过　强大的端横梁连接，桥面系设置密肋横梁，不设分　隔缝，以提高整体的侧向刚度，从而增加拱肋的侧　向稳定性。　该桥计算采用第一类线弹性稳定计算方法，　计算方程为：［Ｋ　］＋　［Ｋｚ］＝０，稳定问题转化为　求方程的最小特征值问题。计算模型与静力计算　模型相同。荷载组合包括：组合一，恒载＋活载；　组合二，恒载＋活载＋运营横向风；组合三，恒　载＋百年一遇风荷载。结构的失稳模态见图８，　各阶稳定安全系数见表２。由计算结果可知，第　一阶失稳模态的稳定安全系数为２７，大于３～４　的规范允许值，结构的失稳主要表现为拱肋的平　面外失稳。　表２异形拱桥稳定系数　ａ）第一阶失稳模态　ｂ）第二阶失稳模态　．　ｃ）第三阶失稳模态　ｄ）第四阶失稳模态　图８桥梁结构各阶失稳模态　４　结论　通过对异形拱桥的外形和计算分析，可得到　以下主要结论：　（１）异形拱桥造型美观，构造简洁，可结合环　境进行组合变化，非常适合于城市桥梁对于美学　的要求。　（２）由于异型拱桥的非对称性，结构受力也　呈现非对称性，钢拱肋应力呈Ｓ形分布；内力分布　为陡拱侧弯矩较大，坦拱侧轴力较大。　（３）由于斜吊杆的水平分力作用，主梁各节　段轴力不等，有节节变大的现象，这就使得主梁的　预应力配置的不对称，这种受力特点也有利于采　用单端张拉的预应力体系。　（４）采用刚梁刚拱体系和抗扭能力强的箱梁　截面拱肋及整体桥面系主梁的组合体系桥，具有　经济合理、整体性好和横向稳定性好的优点，结构　的失稳主要表现在拱肋的面外失稳。　总第２６５期　２０１４年第４期　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　交通科技　Ｓｅｒｉａｌ　Ｎｏ．２６５　Ｎｏ．４　Ａｕｇ．２０１４　ＤＯＩ　１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－７５７０．２０１４．０４．００５　高墩大跨径连续刚构桥双肢墩系梁　设置道数与地震响应关系分析　饶毅刚　（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司　贵阳　５５０００８）　摘　要　为了研究系梁设置道数对大跨双肢薄壁高墩连续刚构桥自振特性及地震响应的影响，文　中以清水江大桥为背景，利用ＭＩＤＡＳ／Ｃｉｖｉｌ程序，建立了空间有限元仿真分析模型，分析了系梁的　道数对结构自振特性的影响，通过反应谱法讨论了在不同系梁道数下桥梁结构的地震响应规律。　关键词　大跨连续刚构桥　双肢薄壁高墩　系梁道数　反应谱法　地震响应　高墩大跨径连续刚构桥是山区高速公路中经　常采用的经济适用桥型，其下部结构通常采用双　过多或可多、可少等单方面考虑问题现象，未能兼　顾结构正常受力和抗震这两方面的需要。本文主　要从有利于抗震的角度出发，以实际桥梁工程为　背景，经过模拟地震作用建模分析，提出双肢墩系　梁合理设置的建议，以对今后类似桥梁设计提供　一肢薄壁墩。由于桥墩高，为了确保高墩的压杆稳　定性，需要设置系梁。目前系梁基本上是为满足　持久状况和施工过程的各项计算要求而设置，一　般未从抗震的角度考虑系梁的设置，出现了设置　收稿日期：２０１４—０４—０９　定的借鉴。　参考文献　［１］　王玮瑶，李生智，陈科昌．异型系杆拱桥［Ｊ］．中国公　路学报，１９９６（３）：４５—５０．　［２］　李文勃．结合梁桥面系异形钢箱拱肋系杆拱桥设计　ＦＪ］．城市道桥与防洪，２００９（７）：７８—８４．　工业大学学报，２００５（８）：６８—７１．　－Ｉ４］　李乔，李丽．异型拱桥结构内力分析［Ｊ］．公路交　通科技，２００１（２）：３１—３５．　［５］　申永刚，项贻强，言明忠，等．设有纵向连杆的异型　拱桥受力性能分析ｌ－Ｊ］．中国市政工程，２００７（１０）：　】８—２Ｏ．　［３］　肖泽荣．钢管混凝土异型拱桥设计探讨ＦＪ］．哈尔滨　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　Ｓｐｅｃｉａｌ。ｓｈａｐｅｄ　Ｔｉｅｄ　Ａｒｃｈ　Ｂｒｉｄｇｅ　ｗｉｔｈｏｕｔ　Ｗｉｎｄ　Ｂｒａｃｉｎｇ　Ｘｉｏｎｇ　Ｌｉｐｅｎｇ　（Ｗｕｈａｎ　Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓａｅｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｗｕｈａｎ　４３００２３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｂｅｈａｖｉｏｒ　ｏｆ　ａ　ｓｐｅｃｉａｌ—ｓｈａｐｅｄ　ａｒｃｈ　ｂｒｉｄｇｅ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｗｉｎｄ　ｂｒａｃｉｎｇ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｗｉｔｈ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ　ｉｔｓ　ｍａｉｎ　ｄｅｓｉｇｎ　ｄｅｔａｉｌｓ　ａｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ　ｉｎ　ｂｏｔｈ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｓｔａｇｅｓ　ａｒｅ　ａｌｓｏ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｆｉｒｓｔ　ｅｌａｓｔｉｃ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｔｈｅｏｒｙ．Ｔｈｅ　ｒｅ—　ｓｕｉｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｈａｐｅ　ａｓｙｍｍｅｔｒｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ａｓｙｍｍｅｔｒｙ　ｏｆ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｂｅｈａｖ—　ｉｏｒ。ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｓｓ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ａｒｃｈ　ｒｉｂｓ　ｍａｉｎｌｙ　ｈａｓ　ａｎ”Ｓ”ｓｈａｐｅ．Ｆｏｒ　ａ　ｒｉｇｉｄ　ｔｉｅ　ａｎｄ　ｒｉｇｉｄ　ａｒｃｈ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｂｒｉｄｇｅ，ｏｕｔ—ｐｌａｎｅ　ｂｕｃｋｌｉｎｇ　ｏｃｃｕｒｓ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｂｉｇ　ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ　ｏｆ　ｂｒｉｄｇｅ　ｆｌｏｏｒ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｐｅｃｉａｌ—ｓｈａｐｅｄ　ａｒｃｈ　ｂｒｉｄｇｅ；ｔｉｅｄ—ａｒｃｈ　ｂｒｉｄｇｅ；ｓｔｅｅｌ　ｂｏｘ　ａｒｃｈ　ｒｉｂｓ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ；ｓｔａ—　ｂｉｌｉｔｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ