大跨坦拱连续梁组合结构受力特点分析

梁天福

（武汉地铁集团公司 武汉 430030）

1 工程概况

1.1 总体布置

始建于隋代的赵州桥［1］以其精美的造型，巧妙的设计一直使用至今，为世界桥梁史上之首创，被称为“坦拱桥之祖”。传统的上承式或中承式拱桥拱脚的不平衡水平推力一般都靠地基来抵消，它对基础的要求非常高，故在软土地基很少应用［2］。本桥位于软土地区，跨度为450m，仅靠基础来抵抗拱桥的水平推力及拱脚弯矩，将需要采用巨大的基础，从理论上来说方案实施困难很大。为解决拱桥的水平推力同时又要使基础不承担拱桥的水平推力及弯矩，将坦拱两拱脚直接采用支座与承台连接，既消除了拱桥的水平推力对基础的影响，又释放了大跨度拱桥由于温度变形产生的拱脚巨大弯矩；通过在钢箱梁内设置水平系杆以及将钢箱梁本身作为系杆来抵消拱桥的水平推力。

某城市高架桥梁设计荷载为公路I级，双向6车道。在满足桥下通航要求以及附近机场建筑物净空要求的条件下，并考虑景观要求，该桥主桥采用了结构高度低、跨越能力大、造型美观的坦拱连续梁组合结构。桥长630m，桥跨布置为90m ＋450m＋90m。拱肋轴线采用悬链线，计算跨径为440m，计算矢高50.5m，矢跨比1／8.713，见图1。

图1 主桥总体布置（单位：m）

1.2 主梁

边跨、中跨主梁均采用钢结构，三主梁形式，见图2。中跨主梁高4.0m，边跨主梁高8.0m，桥面宽46.0m。顶板设2.0%双向横坡，主梁之间通过横隔板连接。边跨为避免出现拉力，支座需要压重，压重材料以铁砂为主。

图2 主梁构造图（单位：cm）

1.3 拱肋

主拱结构为平行钢箱拱，采用Q345qd钢材，弹性模量E＝210GPa。钢拱肋计算跨度为440 m，截面宽3.0m，桥面以上拱肋高度6.0m，桥面以下9 m。3 片拱肋在顺桥向共设置9 道横撑。拱脚采用混凝土结构，高度10.5m，见图3。

图3 拱肋构造图（单位：cm）

1.4 系杆体系

永久系杆采用高强度低松弛钢绞线制成，全桥系杆共22 束85Φ15.4 钢铰线，总索力有157 080kN。

1.5 吊杆

采用竖直吊杆，本桥共设27对，纵向索距10 m，吊杆采用PE 护套镀锌高强平行钢丝，可调试冷铸镦头锚。

1.6 基础

拱座基础采用69 根直径1.5 m 钻孔灌注桩，桩长为98m；承台尺寸（横桥向×纵桥向）为61.8m×18.8m，厚5.0m。拱座台上横向设置3个13 000t钢支座。

2 结构受力分析

2.1 计算模型

采用“桥梁博士”建立的有限元分析模型，总计节点348个，单元376个。一个拱脚按固定铰支座模拟，另一个拱脚按活动铰支座模拟；边跨端部按活动铰支座模拟，计算模型见图4。

图4 有限元分析模型

2.2 计算结果

2.2.1 拱肋计算结果

拱肋截面轴力如图5所示，钢拱肋（三拱）基本组合工况下最大轴力为3.36×105kN，最小轴力为2.79×105kN，最大弯矩2.45×105kN·m，最小弯矩－3.80×105kN·m。基本组合工况下拱肋最大压应力为176.7 MPa，最小压应力为50.8 MPa。拱肋拱脚、1／4 拱、拱顶截面基本组合工况下结构受力结果见表1。

图5 拱肋基本组合轴力图（单位：kN）

表1 拱肋各控制截面基本组合工况下结构弯矩、轴力汇总表

2.2.2 主梁计算结果

主梁截面应力如图6，7所示，基本组合工况下最大拉应力为－104.1 MPa，最大压应力为168.1 MPa，系梁部分兼作系杆功能使用。

图6 系梁上缘基本组合正应力包络图（单位：MPa）

图7 系梁下缘基本组合正应力包络图（单位：MPa）

2.2.3 位移

桥梁铺装层施工完成后，中支点活动端理论计算水平位移为17.6cm，系梁跨中理论计算竖向位移为－86.4cm，拱肋跨中竖向位移为－81.4 cm。升、降温工况下中支点活动端水平位移为±13.4cm，系梁跨中竖向位移为±0.6cm，拱肋跨中竖向位移为±1.4cm。活载作用下中支点活动端水平位移为±4.7cm，系梁跨中竖向位移为16.5cm，挠跨比1／2727。

2.3 计算结论

钢筋混凝土桁架坦拱桥最大跨度为305 m，计算矢高1／7.4，由于钢筋混凝土受到材料强度的限制，跨度400～500m，已经基本达到极限；采用钢结构，跨度到400～600 m 完全可行。本方案经过上述计算，无论拱肋、主梁受力，还是桥梁变形结果均能满足规范要求，方案完全可行。

3 结构受力特点

该体系由V 构及坦拱组合而成，坦拱拱肋与系梁组合形成“连续梁”跨中部分，拱肋主要以受压为主；主拱范围内系梁主要以受拉为主，其余位置主要以拉压为主；V 形部分类似“连续梁”零号块，下部撑脚部分主要以受压为主，上缘桥面以受拉为主。图8为本方案传力途径示意图。

图8 坦拱连续梁桥传力途径示意图

由图8可见，梁部荷载通过吊杆传递到拱肋，拱肋将吊杆、拱肋自身两部分荷载传递到V 撑和系梁，竖向力传递至基础。同时，系梁采用水平系杆自锚，平衡拱肋传递的水平力。

各部分受力特点如下。

（1）梁部。全部采用钢箱梁，与普通拱桥梁部不同，本方案系梁兼作系杆使用，平衡坦拱部分水平分力。

（2）V 构。为减轻结构的自重，减低主墩支座吨位，V 构全部采用钢结构。V 构主要承担坦拱、水平系杆传递而来的水平力；其次，V 构类似连续梁的“零号块”下缘，主要以受压为主，需要采用较大承载力的钢结构材料。最后V 构将梁部、拱肋产生的竖向荷载传递给基础，作为本结构体系上部结构的重要支撑体系。

（3）拱肋。全部采用钢箱梁，首先拱肋将吊杆、拱肋自身两部分荷载传递到V 撑和系梁；其次拱肋与系梁固接形成连类似“连续梁”中跨梁部，拱肋主要以受压为主，系梁主要以受拉为主。

（4）系杆。系杆主要承受拱传来的水平力，同时系杆与全桥梁部通过变形协调来调整内力。

（5）吊杆。主要传递桥面荷载给拱肋。

4 结论

（1）将坦拱桥设置成连续梁形式，两拱脚直接采用支座与承台连接，既消除了拱桥的水平推力对基础的影响，又释放了大跨度拱桥由于温度变形产生的拱脚巨大弯矩。通过在钢箱梁内设置水平系杆以及将钢箱梁本身作为系杆来抵消拱桥的水平推力。

（2）采用V 构及坦拱组合结构形式，可有效减低桥梁建筑高度，V 构可有效提高支点处桥梁刚度，从而可加大桥梁跨度。

［1］中国公路学会桥梁和结构委员会.面向创新的中国现代桥梁［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［2］严爱国，尹书军.沪杭客运专线自锚上承式拱桥关键技术研究［J］.铁道标准设计，2011（10）55－57.