混凝土拱桥拱上建筑轻型化研究.pdf

第 2 9卷第 1 期 2 0 1 2年 3月 土木工程与管理学报 J o u r n a l o f C i v i l En g i n e e r i n g a n d Ma n a g e me n t V0 1 2 9 No 1 Ma r 2 01 2 混凝土拱桥拱上建筑轻型化研究 黄卿维， 陈宝春， 吴庆雄， 王征 ( 福州大学土木工程学院， 福建福州3 5 0 1 0 8 ) 摘要： 制约混凝土拱桥向更大跨度发展的主要问题是结构 自重大和施工架设困难。为提高混凝土拱桥的竞 争力和促进该桥型的进一步发展 ， 以 4 2 0 m跨径的重庆万州长江大桥为工程背景， 通过桥道系连续化和采用组 合结构代替原有混凝土结构等方式来进行混凝土拱桥拱上建筑轻型化研究。与原设计在静力性能和地震响应 分析的比较结果表明， 桥道系连续化对减轻拱上建筑结构 自重的效率较低， 其静力性能与抗震性能提高也不 大； 而采用组合结构可使得拱上建筑结构自重减轻 3 5 ， 拱脚轴力和弯矩分别降低了1 6 和 1 7 ， 三向地震作 用下的拱脚横向弯矩和拱顶横向位移分别减小 了 1 3 和 1 8 ， 拱脚纵向弯矩、 轴力分别降低了4 5 和 4 4 ， 具有可行性 。 关键词： 拱桥 ； 拱上建筑 ； 轻型化； 组合结构 中图分类号： U 4 4 8 3 8 文献标识码 ： A 文章编号： 2 0 9 5 - 0 9 8 5 ( 2 0 1 2 ) 0 1 - 0 0 0 5 -05 Re s e a r c h o n Re d uc i ng t he W e i g ht o f S p a ndr e l S t r uc t ur e f o r t he Co n c r e t e Ar c h Br i dg e s HU A NG Q i n g w e i ，C H E N B a o c h u n ， 删 一 x i o n g ，W A N G Z h e n g ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， F u z h o u U n i v e r s i t y ， F u z h o u 3 5 0 1 0 8 ， C h i n a ) Abs t r a c t：De v e l o p me n t o f l o n g s p a n RC a r c h b rid g e s a r e r e s t ric t e d b y t wo c r i t i c a l f a c t o r s ， t h e h e a v y s e l f - we i g h t a nd t h e di f f i c ul t c o n s t r uc t i o n t e c h n i q ue s I n o r d e r t o a d v a n c e t h e c o mp e t i t i v e n e s s a n d f u r t h e r a p p l i c a t i o n，r e s e arc h e s o n r e d u c i n g t h e s e l f - we i g h t o f s p a n d r e l s t r u c t u r e s o f RC a r c h a r e c o n d u c t e d b y e i t h e r ma k i n g t h e d e c k f r o m s i mp l y s u p p o rte d t o c o n t i n u o us o r u t i l i z i ng c o mp o s i t e s t r u c t u r e i n W a n x i a n Ya n g t z e Ri v e r Brid g e wi t h a ma i n s p a n o f 4 2 0 mTh e r e s u l t s o f t h e t ria l d e s i g n b y u s i n g c o mp o s i t e s t ruc t u r e s h o w t h a t wi t h c o mp a ris o n o f t h e o ri g i n a l b rid g e t h e s e rf- w e i g h t o f s p a n d r e l s t ruc t u r e i s r e d u c e d b y 3 5 ，a n d t h e a x i a l f o r c e a nd b e n di n g mo me n t o f a r c h s p rin g i n g i s d e c r e a s e d b y 1 6a nd 1 7 S i mu l t a ne o us l y，t h e b e nd i ng mo me n t s e i s mi c r e s p o n s e o f a r c h s p ri n g i n g i n l o n g i t u d i n a l a n d t r a n s v e r s e d i r e c t i o n r e d u c e 4 5 a n d 1 3 u n d e r t h e t h r e e d i r e c t i o n al g r o u n d mo t i o n s a n d t h e a x i a l f o r c e o f arc h s p ri n g i n g i n l o n g i t u d i n a l d i r e c t i o n r e d u c e 4 4 a n d t he d e fle c t i o n o f a r c h c r o wn i n t h e t r a n s v e r s e d i r e c t i o n r e d u c e 1 8 Th e c o mp o s i t e s t r u c t u r e i s s u p e rio r t o t h e c o nt i n uo u s g i r d e r s o l u t i o n i n t h e s t a t i c a n d s e i s mi c p e r f o r ma n c e wh i c h i s f e a s i b l e i n p r a c t i c al a p p l i c a t i o n Ke y wo r ds：a r c h b rid g e；s p a n d r e l s t r u c t u r e；l i g h t - we i g h t ；c o mp o s i t e s t ruc t u r e 从结构方面来看 ， 以廉价 的抗压强度高 的混 凝土作为结构主要材料 的混凝土拱桥是合 理的， 因此适合跨越深谷河流的上承式混凝土拱桥在相 当长的时期内一直是我国的主导桥 型， 其 最大跨 径为 1 9 9 7年建成的重庆万州长江大桥( 4 2 0 m) ， 迄今为止其跨径还未有突破。然 而， 近二 十年来 拱桥的研究和发展与其它桥梁相比却相对落后， 进入2 l 世纪后， 其修建的数量有下降趋势 。 然而 ， 国外近几年对超大跨径混凝土拱桥的 研究相当活跃 ， 如克罗地亚相继 提出了主跨 分 别为 4 3 2 m、 5 0 0 m、 7 5 0 m和 1 0 0 0 m 的拱桥设计 构思 ； J e a n M u l l e r国际 顾 问工 程 师 公 司 与 A l i a n S p i e l m a n n 顾问建筑师公司在法国米勒高架 桥的国际方案竞标 中联合提出了主跨 6 0 2 m的混 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 9 - 2 7 修 回日期 ： 2 0 1 1 - 1 2 1 5 作者简介 ：黄卿维( 1 9 8 2一) ， 男 ， 福建惠安人 ， 助理研究员 ， 博士 ， 研究方 向为大跨度桥 梁( E m a i l ： H u a n g Q i n g We i f z u e d u c a ) 基金项 目：科技部国际科 技合作 项 目( 2 0 0 9 D F A 7 2 2 2 0 ) ； 国家 自然科学基金 ( 5 1 1 7 8 1 1 9 ) 6 土木工程与管理学报 2 0 1 2年 凝土拱桥方案 5 ； 日本土木协会组织进行跨度达 6 0 0 m钢筋混凝土拱桥 的可行性研究 ， 于 2 0 0 3年 出版了( 6 0 0 m跨径级 的混 凝土长大拱桥 的设 计 与施工 一书 J 。 为使我国混凝土拱桥的技术成就继续保持世 界领先地位 ， 有必要开展超大跨径混凝土拱桥的 前期科研工作。制约混凝土拱桥 向更大跨度发展 的主要问题是结构 自重大和由此带来 的施工架设 困难 ， 而实现混凝土拱 桥轻 型化可分为拱 圈轻型 化与拱上建筑轻 型化 。对于拱圈轻型化 ， 福州大 学陈宝春教授提 出了钢 一混凝 土组合拱桥 的构 思 ， 即用轻质高强的钢板( 波形钢板或平钢板 ) 或 钢腹杆取代传统钢筋混凝土拱圈中厚重的混凝土 腹板 ， 从而形成钢腹板 ( 杆 )一混凝土组合拱。研 究表明 ， 虽然其后期钢结构的养护工作量较大 ， 但 考虑到新型拱圈的材料费用与混凝土拱圈费用大 致相 同， 且其可减轻拱圈 自重约 3 0 和减少下部 结构工程量 ， 免除混凝土腹板模板 、 绑扎钢筋等施 工工序所带来 的施工费用 ， 经济效益较为明显 ， 因 此具有相当的工程应用潜力 。 我国上承式混凝土拱桥拱上建筑一般采用混 凝 土材料的简支体系 ， 结构 自重大 ， 且施工工序烦 杂。借鉴国内外 桥梁结构轻 型化的研究成果可 知 ， 拱上建筑轻型化的途径主要有三种 ： 桥道系连 续化 、 采用组合结构或者轻质高强材料代替原有 的混凝土结构。其中桥道系连续化是指桥道系采 用了连续梁或连续刚构 一连续 梁组合体系 ， 如克 罗地亚 K r k a 桥 、 日本富士川桥 和美国 C o l o r a d o 桥 等都是采用这种结构体系； 桥道系采用 的组合结构常见的有工字钢 一混凝土组合梁 、 钢 腹板 ( 杆)一 混凝土组合梁等 ， 如福州青洲闽江大 桥 、 日本矢作川桥 等； 拱上立柱采用组合结 构一般为钢管混凝土结构 ， 如湖北支井河大桥 、 重 庆奉节梅溪河大桥等 。 本文将 以4 2 0 I Y I 跨径 的重庆万州长江大桥为 工程背景 ， 采用桥道系连续化和组合结构对拱上 建筑进行轻型化试设计 ， 分析拱上建筑轻型化后 对桥梁结构的静力与动力性能 的影响 ， 探讨 其工 程应用可行性 ， 以期为混凝土拱桥减轻结构 自重 ， 并 向超大跨径发展提供一个有效途径 。 1 拱 上建筑 轻型化拱桥试设计 1 1 工程背景 万州长 江 大 桥 位 于重 庆 万 州 市 上游 7 k m， 设计荷载为汽一 超 2 0 ， 挂 1 2 0， 人群荷载为 3 5 k N m ； 桥面净宽为净 2 7 5 m行车道 +2 3 0 m人行道 ， 总宽 2 4 m， 地震基本烈度 6度， 按 7度 验算 。桥 梁采 用上 承式混 凝 土箱拱 ， 计 算 跨径 4 2 4 5 9 m。 计算矢高 8 4 8 6 m， 矢跨 比 1 5 ， 悬链线 拱轴系数 m=1 6 ， 总体布置见图 1 。 图 1 重庆万州长江大桥总体布置图 e m 拱上立柱共有 1 2对 ， 横 桥 向柱 宽均 为 2 5 m， 纵桥向顶宽 1 4 m， 两侧按 1 1 0 0比例放坡 ， 盖 梁尺寸为 2 0 m1 6 r n1 8 r n ， 均采用 C 3 0混凝 土 ， 其构造见图 2 。主梁采用 1 0片 3 0 6 6 8 m跨 径 的预应力砼简支 T梁 ( 图 3 ) ， 主梁梁高 1 7 5 r n ， 间距 2 n l ， 采用 C 5 0混凝土。拱上立柱和桥道 系分别采用了滑模顶升现浇法和预制节段拼装法 进行施工 。 立 柱 处拱 顶处 塑 图2 拱上立柱和盖梁结构构造图 c m 外梁 图 3 T梁跨 中横断 面图 c m 1 2 试设计方案 由于本文仅对拱上建筑轻型化进行研究 ， 因 此试设计方案仍采用原设计的混凝土拱圈结 构。 试设计方案共有 4个 ， 其中方案一和方案二 的桥 道系采用了连续化 的结构形式 ， 方案三和方案 四 的拱上建筑采用了组合结构 ， 具体如表 1所示。 1 2 1 桥道系连续化方案 方案一和方案二均采用了变截面预应力混凝 土连续箱梁桥道系， 为单箱五室结构 ， 梁高 由梁端 处 1 8 0 m按二次抛物线渐变到跨 中 1 1 0 m， 顶 底 板 厚 为2 0 e m， 边 腹板 厚3 0 c m， 中腹 板 厚2 6 卜 _ 1 巍 。 孛 T 一 吁 盘 。 一 8 土木工程与管理学报 2 0 1 2年 表 2 各方案拱上建筑自重与拱圈内力与位移峰值比较表 2 3 稳定分析 表 3给出原设计与试设计方案前三阶稳定系 数和失稳形态 比较。从方案一、 二 与原设计的 比 较可知 ， 桥道系的连续化有利于提高拱桥 的稳定 性 ， 有助于拱桥向更大跨径方 向发展 ； 从方案二 、 三与原设计 的比较可知 ， 随着结构 自重的减小 ， 拱 桥的稳定性能得到提高 ； 从方案三与方案四的比 较可知 ， 虽然方案四拱上结构 自重 比方案三小 ， 但 受拱上立柱间距增大到4 2 m的影响 ， 其各阶模态 的稳定系数均略低于方案三， 即增大立柱间距不 利于拱桥的稳定性 。 2 4施工性能 与原设计相 比， 方案一和方案二桥道系采用 的悬臂现浇法的施工设备与工艺均较为复杂， 且 施工工期较长 ； 方案三桥道系采用顶推法施工 ， 可 节省大量的预制场地 ， 并缩短工期 ； 方案四的拱上 立柱采用了钢管混凝土结构形式 ， 可利用钢管作 为管 内混凝土 的模板 ， 免除原设计 中钢筋混凝土 立柱所需 的立模 、 绑扎钢筋和拆模等一系列施工 工序 ， 加快施工进度。 表 3 各方案 稳定 系数 与失稳形态 比较 阶 数原设汁 方 案一方 案二 方 案三 方案 四 1 9 4 1 1 0 3 9 1 0 4 0 1 0 9 4 1 0 3 7 ( 对 称侧 弯)( 反对称 竖弯) ( 反对 称竖 弯)( 对称 侧弯)( 对 称侧 弯) 1 2 1 8 1 1 0 2 1 1 1 3 1 3 1 2 4 2 ( 对 称竖弯) ( 对 称竖 弯) ( 对称竖 弯)( 对 称竖 弯)( 对 称竖弯) 1 6 7 1 1 1 7 9 l 1 8 5 1 7 79 1 7 1 7 ( 反 对称 竖弯)( 对 称侧弯) ( 对称 侧弯)皈对称 竖弯 ) f 称竖 苟 3 抗震性 能分 析 3 1 地震响应分析计算参数 采用动态时程法进行各设计方案的地震响应 分析。积分方 法采用 振型叠 加法 ， 时间步 长 t 取为 0 0 2 s ， 持续时间为 3 0 s 。阻尼矩阵采用 R a y l e i g h模型 ， 结构阻尼 比取为 0 0 4， 且不考虑主 要振型的阻尼 比偏离此值 的影响m J 。假定各个 结构构件处于弹性阶段 ， 初期条件为拱桥在恒载 作用下的内力状态。输人地震波采用 国际上常用 的强震记录E I C e n t r o波， 对拱桥 的三个 方向 ( 纵桥 向、 横 桥 向与竖 向) 进行加载 ， 其 中地 震动 竖向分量 取地震 动水平 分量 的 1 2 。实际分 析 时 ， 调整水平加 速度 峰值 为 0 9 8 1 m s ( 0 1 g ) ， 以使 E I C e n t r o波的最大加速度值与桥位处地震 烈度七度相吻合。 3 2 三向地震作用下横桥向特性 表 4给出三向地震作用下各设计方案拱圈横 桥向受力特性 比较。从表中可知， 与原设计相比， 方案一和方案二 的拱脚横 向弯矩峰值分别 比原设 计减小 4 与 9 ， 而拱顶横 向位 移峰值相差 不 大 ， 说明纵梁的连续化可降低拱脚截面横 向弯矩 ， 但对拱顶横向位移影 响很小 ； 方案三和方案 四拱 脚截面横向弯矩峰值分别减小 1 2 与 1 3 ， 拱顶 横向位移峰值分别降低 1 5 与 1 8 ， 说明由于组 合结构有效地降低 了拱上建筑 自重 ， 从而大幅地 减小了拱脚横向弯矩与拱顶横向位移 。 表 4 三 向地震作用下各方案拱 圈横桥 向受 力性能 比较 3 3三向地震作用下纵桥向特性 表 5给出三 向地震作用下各设计方案拱圈纵 桥向受力特性比较。从表 中可知， 与原设计相 比， 方案一和方案二 的拱顶纵 向弯矩 峰值 分别减小 表5 三向地震作用下各方案拱圈纵桥向受力性能比较 第 1 期 黄卿维等： 混凝土拱桥拱上建筑轻型化研究 9 2 与 7 ， 拱脚弯矩峰值分别减小 8 与 9 ， 拱 脚轴力均减小 6 ； 方案 三和方案 四的拱顶纵 向 弯矩分别减小 4 7 与 4 5 ， 拱脚纵向弯矩分别减 小 5 2 与 4 4 ， 拱脚轴力分别减小 1 0 与 2 0 。 与横桥 向特性相似 ， 采用组合结构拱上建筑后 ， 结 构自重大大减小， 从而降低了地震响应， 有利于拱 桥向大跨径发展。 4 结 论 借鉴于国内外相关研 究成果 ， 以 4 2 0 m跨 径 的重庆万州长江大桥为背景工程 ， 通过桥道系连 续化和采用组合结构代替原有的混凝土结构等方 式来进行混凝土拱桥拱上建筑轻 型化研究 ， 得 出 的主要结论如下所示 ： ( 1 ) 由于原设计 已对桥道系进行优化 ， 因此 本文所进行 的桥道系连续化试设计方案 ( 方案一 和方 案 二 ) 对 减 轻 拱 上 建 筑 自重 的效 率 较 低 ( 4 ) ， 其静力性能与抗震性能提高不大 ( 拱圈 内 力和位移峰值减小不超过 1 0 ) ， 但桥道 系连续 化有利于行车舒适 ， 且在地震作用下能够较好地 避免落梁现象 ， 具有工程应用价值。 ( 2 ) 采用组合结构替换原设计 的混凝 土结构 的试设计方案( 方案三和方案 四) ， 使得拱上建筑 自重获得了大幅度 的减轻 ， 尤其是桥道系和立柱 均采用组合结构 的方案 四， 达到 3 5 ， 其 承载能 力极 限状态下拱脚轴力 、 弯矩和拱顶挠度分别减 小了 1 6 、 1 7 和 9 ， 三向地震作用下的拱圈拱 脚横 向弯矩 、 拱 顶横 向位移分别 减小 了 1 3 和 1 8 ， 拱脚纵向弯矩、 轴力和拱顶纵向弯矩分别减 小 了 4 5 、 4 4 和 2 0 ， 说 明拱上建筑采用组合 结构的轻型化效果较好 ， 即减小了承载能力状态 下拱圈内力 ， 又降低 了地震响应 ， 而且组合结构 的 研究已较为成熟 ， 并大量被应用于工程实践中， 因 此采用组合结构进行拱上建筑轻型化在结构受力 方面是可行的。 虽然拱上建筑采用组合结构后的工程材料费 用将有所提高 ， 且后期的养护工作量也较大 ， 但考 虑到其结构 自重降低可减小 主拱 圈结构尺寸 、 降 低下部结构的工程量和施工便利 ( 如节省施工设 备费用 、 缩短工期 ) 所带来 的经济效益 ， 其工程总 造价将相差不大 。随着我 国经济 的发展 ， 钢结构 产量和性能的不 断提高， 其材料 费用和后期养护 费用将逐渐降低 ， 因此 ， 采用组合结构进行拱上建 筑轻型化具有相 当的应用前景。 参考文献 1 陈宝春， 叶琳我国大跨度钢筋混凝土拱桥的现 状调查与发展方 向分析 J 中外公路， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 2 ) ： 8 9 - 9 6 2 韦建刚， 陈宝春国外大跨度混凝土拱桥的应用与 研究进展 J 世界桥梁， 2 0 0 9 ， ( 2 ) ： 4 - 8 3 C a n d r l i e V，B l e i z i ff e r J ，Ma n d i c AB a k a r B ri d g e i n R e a c t i v e P o w e r C o n c r e t e C P r o c e e d i n g s o f t h e T h i r d I n t e rn a t i o n a l C o n f e r e n c e o n Ar c h Bri d g e P a r i e s F r a nc e，2 0 01：6 9 5- 7 0 0 4 C a n d r l i e V，R a d i c J ， G u k o v I R e s e a r c h of C o n c r e t e A r c h B ri d g e s u p t o 1 0 0 0 m i n S p a n C A r c h B ri d g e I V，Ad va nc e s i n As s e s s me nt ，St r u c t u r a l De s i g n a n d Co ns t r uc t i o n，Pr o c e e di ng s of t he Fo u r t h I nt e r n a t i o n a l Co nfe r e n c e o n Ar c h Brid g e Barc e l o n a S pa i n，2 00 4： 53 8- 54 7 5 S p i e l ma n n A U n A r c d e 6 0 0 M e t r e s C P r o c e e d i n g s o f t h e T h i r d I n t e rn a t i o n a l Co n f e r e n c e o n Ar c h B ri d g e P a r i e s F r a n c e ，2 0 0 1： 6 8 3 - 6 9 2 6 E t 本土木学会j二 I J 畏大7 ， 一手橘 一 支髑 6 0 0 my 一 觳 施工 Mj 东京 ： 日本土木学 会 ， 2 0 0 3 7 王远洋波形钢腹板混凝土箱拱试设计研究 D 福州： 福州大学 ， 2 0 0 7 8 黄卿维钢腹板 一混凝 土拱面 内受力性能研究 D 福州： 福州大学 ， 2 0 0 9 9 缪 锋钢腹杆 一混凝土组合拱桥试设计研究 D 福州 ： 福州大学 ， 2 0 0 9 1 0 陈宝春钢管混凝土拱桥( 第二版) M 北京 ： 人 民交通出版社， 2 0 0 7 1 1 范瑛， 梅利芳 日本富士川混凝土拱桥的设计与 施工 J 世界桥梁， 2 0 0 2 ， ( 2 ) ： 1 4 1 6 l 2 D a v i d G，R o b e a T T h e N e w Mi k e 0 c a l l a g h a n P a t T i l l m a n M e mo ri a l B ri d g e a t H o o v e r D a m C P r o ce e di n g s of t h e Si x t h I n t e r na t i o na l Co nfe r e n c e o n Ar c h B ri d g e F u z h o u C h i n a ，2 0 1 0： 1 8 1 3 林尔渺横梁间距、 刚度对大跨度叠合梁斜拉桥承 载力的影响 D 福州 ： 福州大学， 2 0 0 2 1 4 陈宝春， 黄卿维波形钢腹板 P c箱梁桥应用综述 J 公 路 ， 2 0 0 5 ， ( 7 ) ： 4 5 5 3 1 5 四川省交通厅， 四川省公路规划勘察设计研究院， 四川公路桥梁建设集团有限公司万县长江公路 大桥技术总结 M 成都： 电子科技大学出版社， 2 001 1 6 J T G D 6 0 - 2 0 0 4 公路桥涵设计通用规范 S 1 7 谢旭桥梁结构地震响应分析与抗震设计 M 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 6