强梁弱拱公路连续梁拱组合桥设计研究.pdf

Intelligent Building and Construction Machinery智能建筑与工程机械2024年 3月Mar.2024第6卷 第3期Vol.6 No.31 桥梁概况某跨越黄河大桥桥位处河宽 210 m，IV 级航道。管理部门要求河中桥墩数 2 个，通航孔跨径 150 m。该桥桥面布置双向 4 车道并设非机动车道和人行道，设计荷载为公路 I 级。主桥为（80+150+80）m 连续梁拱组合桥，中跨为下承式梁拱组合结构。本桥道路竖向设计受限于 3 个要求：桥下通航净高要求 8 m。主桥南端无引桥，要求与河堤顶部道路平交。最大纵坡要求 3%，须严格控制中跨梁高。本桥施工受限于两点：桥位周边建筑密集，施工场地狭窄，难以采用悬拼法或转体法建造拱结构。对河道通航及行洪要求高，施工期间不能大量占用水域面积，不宜采用支架法建造拱结构或梁结构。最终采用的施工方案为：悬浇法完成（80+150+80）m连续梁施工。连续梁成桥后，在中跨桥面上搭设支架装配钢管拱肋。完成拱肋、吊杆安装，施工桥面附属结构。连续梁先行成桥，独自承担梁自重以及建造拱肋时的施工荷载，后期安装完成的拱结构则承担部分桥面附属结构恒载（二期恒载）及汽车等活载。2 设计研究2.1 模型建立本桥横向宽度较大，故主梁采用单箱多室整体箱型截面，其刚度及体量均大于常规公路梁拱组合桥中的系梁。梁拱组合体系中，二期恒载及汽车等活载均直接作用于主梁，再通过主梁竖向变形及吊杆的轴向拉伸传递给拱肋，拱肋的刚度、吊杆的截面积都会影响其参与受力的程度，为此建立有限元模型计算分析当拱肋刚度、收稿日期：2023-11-22作者简介：朱鸿欣（1972），男，湖北武汉人，硕士研究生，高级工程师，研究方向：桥梁设计。强梁弱拱公路连续梁拱组合桥设计研究朱鸿欣（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海 200092）摘 要：对一座采用“强梁弱拱”的公路连续梁拱组合桥开展研究，对该桥的拱、梁结构在施工过程中及通车运营后的受力、变形特点进行了分析，归纳总结拱、梁结构的构造尺寸、截面特性值的差异与其承担的荷载作用之间的关系，分析结果用来指导该桥的设计，从而达到结构安全、经济、可行的设计目标。关键词：连续梁拱组合桥；强梁弱拱；公路桥；拱肋；吊杆；主梁中图分类号：U442.5文献标识码：A文章编号：2096-6903(2024)03-0007-03吊杆面积不同时，主梁内力的变化。拱肋采用钢管混凝土，吊杆采用高强镀锌钢丝拉索。拱肋线形为悬链线，矢跨比 1:5。表 1 中模型 1 的结构参数根据工程经验值拟定，作为比较的基准参数。模型 2、3 在模型 1 基础上增大不同倍数。2.2 计算分析在各项荷载作用下，不同模型中的主梁内力及变形均存在差异，并呈现一定变化规律。2.2.1二期恒载当全桥作用 200 kN/m 的二期恒载时，不同模型中主梁截面内力及变形如表 2 4 所示。当拱肋惯性矩和吊杆面积增加时，有以下 6 点发现：表 2 显示中跨各截面弯矩减少幅度较大，最多可减少 52%（1/2 中跨处）。表 3 显示中跨各截面剪力减少程度不及弯矩，剪力最多减少 21%（1/4 中跨处）。表 4 显示中跨各截面竖向挠度明显减小，最多可减少60%（1/2 中跨处）。表 5 显示边跨各截面的正弯矩智能建筑与设计施工图 1 主桥立面表 1 计算模型结构参数类型拱肋组合截面惯性矩/m4吊杆面积/mm2模型 13.3488 466模型 26.69616 932模型 326.78467 728表 2 中跨内弯矩 kN m距梁端距离85m中支点115m1/4 中跨135m3/8 中跨155m1/2 中跨模型1-274 000-77 80017 70041 6002-257 000-72 00013 60033 2003-235 000-55 00010 40019 智能建筑与工程机械 8 第6卷表 8 中跨内弯矩 kNm表 9 中跨内剪力 kN注：表中所示为截面的最大正弯矩/最小负弯矩。注：表中所示为截面的最大正剪力/最小负剪力。表 5 边跨内弯矩 kN m表 6 边跨内剪力 kN表 10 中跨内挠度 mm表 7 边跨内挠度 mm距梁端距离85m中支点115m1/4 中跨135m3/8 中跨155m1/2 中跨模型12 720/-58 60020 200/-29 40020 500/-11 50015 700/-1 07023 050/-57 00020 000/-28 20018 700/-11 30013 500/-1 85033 150/-53 80018 100/-23 70013 800/-7 8109 780/-1 900距梁端距离85m115m135m155m模型13 010/-5161 910/-6481 440/-1 0401 350/-1 16023 000/-6341 830/-7441 350/-1 0601 320/-1 11032 960/-6011 600/-8021 120/-1 0601170/-870距梁端距离20m1/4 边跨40m1/2 边跨60m3/4 边跨75m中支点模型157 30023 800-88 000-231 000262 40033 800-73 400-213 000365 30039 500-65 100-203 000距梁端距离20m40m60m75m模型14873 8307 94011 20027323 5907 69010 90038703 4507 55010 800距梁端距离85m115m135m155m模型1-0.7-6.2-10.4-11.42-0.6-5.2-7.8-7.33-0.5-3.7-4.9-4距梁端距离20m40m60m75m模型1-16.6-12.8-4.102-19.2-15.9-6.103-20.6-17.6-7.20增加，1/2 边跨处正弯矩可增加 66%。同时截面的负弯矩减少，3/4 边跨处负弯矩减少 26%。表 6 显示边跨各截面剪力略有减小，最多减少 10%。表 7 显示边跨各截面竖向挠度增加显著，1/2 边跨处增加 38%。可见拱肋惯性矩和吊杆面积的变化，主要引起主梁中跨内力及竖向挠度变化，进而通过结构变形的连续性影响到边跨，边跨内力和挠度的变化程度相对偏低。2.2.2 汽车荷载本桥汽车荷载采用公路-I 级，是成桥后的主要荷载，在其作用下不同模型中主梁截面内力及变形如表8 10 所示。表 8 显示，汽车荷载作用下，不同模型主梁中跨内各截面弯矩的变化相对较小。如 1/2 中跨处正弯矩最多减少 38%，中支点负弯矩仅减少 8%。表 9 显示，拱肋惯性矩和吊杆面积的变化对主梁中跨截面剪力的影响很小。如 1/4 中跨处剪力减少 4%（模型 2）16%（模型 3），中支点处仅减小 0.3%（模型 2）2%（模型3）。表 10 显示，拱肋惯性矩和吊杆面积的增加明显减小主梁中跨的挠度。在 1/4 中跨处挠度减小 16%（模型2）40%（模型 3），在 1/2 中跨处挠度减小 36%（模型 2）65%（模型 3）。表 11 中，将模型 2、3 对比模型 1 发现：近梁端处截面（1/4、1/2 边跨）最大正弯矩值变化不大，而最大负弯矩值减小较多。近中支点处截面（1/4、1/2 边跨）最大正、负弯矩值变化幅度较小。表 12 中，将模型 2、3 对比模型 1 发现：各截面剪力值变化较小，且近梁端处截面（1/4、1/2 边跨）减小，近中支点处截面（1/4、1/2 边跨）增加。表 13 显示，不同模型中边跨内各截面挠度值变化很小。2.3 设计成果分析结果显示，在连续梁中跨增设拱结构，随着拱肋截面惯性矩和吊杆面积增加，其承担的荷载也增大，对主梁中跨各截面的内力及变形的改善效果更明显，但是继续增大拱结构参数并没有同比例地增加其承担的荷载。本桥设计中首先要求主梁必须具备一定的强度和刚度，以保证施工期间的结构安全。其次中跨增加的拱结构能够满足主梁梁高较小的情况下，主梁各截面内力及挠度满足要求即可。与连续梁桥方案相比，本桥采用梁拱组合桥后，二期恒载作用下，主梁中跨跨中截面的最大正弯矩减少62%，中支点截面最大负弯矩减少 46%，中跨跨中挠度减少 73%，边跨负弯矩区段缩短且数值减少，边跨表 3 中跨内剪力 kN表 4 中跨内挠度 mm距梁端距离85m115m135m模型19 5005 2602 24029 0604 8101 87039 0604 1601 020距梁端距离115m135m155m模型1-7.2-25.8-35.62-3.1-17.5-25.430-9.4-14.32024年 第3期 9 表 13 边跨内挠度 mm表 11 边跨内弯矩 kNm表 12 边跨内剪力 kN距梁端距离20m40m60m75m模型1-9.1-8.7-4.3-0.82-9-8.6-4.2-0.83-8.5-8-3.8-0.7距梁端距离20m1/4 边跨40m1/2 边跨60m3/4 边跨75m中支点模型126 900/-7 41025 700/-14 50012 900/-26 6005 830/-55 000226 900/-6 29025 500/-12 30013 400/-25 0009 170/-55 100326 000/-4 70023 700/-9 22012 600/-25 10010 300/-56 100距梁端距离20m40m60m75m模型11 190/-949536/-1 730208/-2 49080/-3 11021 180/-935539/-1 730224/-2 480130/-3 10031 140/-917507/-1 730214/-2 490146/-3 100挠度方向改变且数值减小。具体如图 2、图 3 所示。采用梁拱组合桥后，汽车荷载作用下，主梁中跨跨中截面的最大正弯矩减少 60%，边跨跨内最大正弯矩减少 33%，同时中支点截面最大负弯矩减少 47%。中跨跨中挠度减少 79%，边跨跨内最大挠度减少 47%。具体如图 4、图 5、图 6 所示。图 2 二期恒载弯矩图 3 二期恒载挠度图 4 汽车荷载正弯矩包络图图 5 汽车荷载负弯矩包络图图 6 汽车荷载挠度3 结束语连续梁拱组合桥的设计，需要明确梁、拱在组合体系中的作用大小，其由梁、拱结构的力学性能参数、参与受力的阶段决定。要遵循安全经济的原则，经过试算、比选才能合理地确定主梁、拱肋、吊杆等构件的性能参数。参考文献1 谢大鹏,胡国伟.高速铁路大跨度梁拱组合桥钢管拱原位拼装方案设计研究J.高速铁路技术,2014,5(3):100-104.2 曹进.高速铁路连续梁拱组合桥拱部施工技术研究J.铁道建筑,2014(3):24-26.朱鸿欣：强梁弱拱公路连续梁拱组合桥设计研究