大跨度钢桁架拱桥关键设计参数研究

2016-11-04何锦权,罗俊

中国科技信息 2016年15期

大跨度钢桁架拱桥关键设计参数研究

为了研究大跨度钢桁架拱桥的主要设计参数对结构受力特性的影响，以优化结构设计，基于珠海横琴二桥，通过建立具有不同设计参数的有限元模型，对比了不同的支承体系，拱轴线，矢跨比对结构受力、施工难易程度以及经济性的影响，并确定了大跨度钢桁架拱桥各项特征参数的最优区间。研究结果表明，支承体系和矢跨比对拱桥受力和施工有很大的影响，而拱轴线对结构受力影响较小，其选择更应从结构美观的角度考虑，相关结论可以为同类型的桥梁设计提供参考。

大跨度钢桁架系杆拱桥外形轮廓美观，刚柔相济，易于与周边景观协调搭配。钢桁架系杆拱桥结构杆件多，受力情况复杂，每根杆件可根据受力大小而灵活改变钢型和截面。在进行拱桥设计时，为了优化结构受力，充分发挥材料的力学性能，有必要对钢桁架系杆拱桥的约束体系和结构参数进行研究。王福敏、段雪炜在进行重庆朝天门大桥设计时，对钢桁拱桥的支承体系做过深入的探讨；文基于南京大胜关桥，对结构设计的关键参数的选择进行研究和介绍；文对中承式系杆拱桥的优化设计进行了深入的研究；蔡健研究了钢桁架拱桥杆件的稳定性和极限承载能力，进而探讨了钢桁架拱桥的失效路径和破坏机理。

为了对大跨度钢桁架拱桥的关键设计参数做更深入研究，以确定各项参数的最优区间，基于横琴二桥，通过对比约束体系、矢跨比、拱轴线等因素对杆件和基础受力、对用钢量和结构安全和施工难度等方面的影响，比选出最优方案，以提高结构的安全性和经济性。

工程概况

横琴二桥主桥跨度布置为（100+400+100）m，主拱肋拱轴线下弦为拱轴系数m=1.6133次悬链线，边拱下弦为半径R=285m圆曲线，上弦拱顶段采用R=300m圆曲线，并以R=1200m反圆弧与桥面相接于。拱肋下弦矢高90m，拱顶处拱肋上下弦的桁高7m，节间长度为12m、14m和16m，主桁横向中心间距36m。采用密纵梁体系叠合混凝土桥面板的桥面系结构形式，横梁间距12～16m，次纵梁间距4m，预制混凝土板厚26cm，通过剪力钉及湿接缝与横梁及次纵梁连接。双向六车道，设计荷载：公路-Ⅰ级，设计速度100km/h。

如图1所示，全桥有限元模型共划分为6251个单元，其中梁单元 3987个，只受拉桁架单元56个，2208个板单元；主桁架杆件材料采用Q345qD和 Q420qD，桥面板采用C60混凝土桥面板，吊杆和系杆均采用1860MPa钢绞线。

图1　横琴二桥有限元模型示意图

关键设计参数研究

支承体系参数研究

当桥型与孔跨布置确定后，边界条件对结构和基础的受力会产生较大影响，同时也会对支座的选择和钢桁架的合拢施工产生影响。拱桥按支承体系可分为三铰拱、两铰拱和无铰拱，三铰拱为静定结构，计算最为简单，但由于结构整体刚度相对偏小，因此结构设计中多采用后两者。己建成的单跨钢桁架拱桥基本上采用两端铰支的支承条件。为了获得最优的结构支承体系，对本桥分别采用两种支座体系进行对比计算：

1.固定铰-活动铰支座：2#墩左支座采用纵向固定支座，其余各墩均设置纵向或多向活动支座；

2.固定铰-固定铰支座：2、3#墩均设置铰支座，其中右侧的支座为横桥向可活动，其余设置多向活动支座。支座平面布置示意图如图2所示。

图2　

图3　恒载作用下下弦杆轴力分布

图4　温度荷载作用下下弦杆轴力

图5　方案②在温度荷载作用下转动示意图

图6　结构位移图

不同支承体系结构内力对比

在恒载作用下，两种支座体系下弦杆的内力分布如图3所示，由图可见：不同的支座方案对拱顶、拱梁结合处杆件的轴力影响较小，对拱脚位置的杆件影响较大。与活动铰方案相比，双固定铰方案中跨侧拱脚处轴力大9778 kN，但边跨侧拱脚的轴力小28762 kN，这部分力转化为支座反力由支座承担。对于活动铰支座方案，系梁需要承担结构的水平推力，因此方案②系梁杆件的轴力明显小于方案①。

由图4可见，在温度荷载（整体升温30℃）作用下，支座方案②结构构件的应力明显大于方案①，且对边跨杆件受力影响较大，这是由于中跨受热膨胀时由于双铰支座约束，使左右半结构绕各自中支点有转动趋势（图5），因此导致边跨支座竖向反力增大，边跨上弦杆及腹杆产生压应力，下弦杆则产生很大的温度拉应力，最大达到117.2MPa。

不同支座体系结构位移对比

两支座体系结构产生的位移如图6所示。由图可见：活动铰方案允许桥梁结构发生顺桥向位移，在恒载作用下，3#墩处发生最大的顺桥向位移14.5cm，所以活动铰方案主拱拱顶下挠位移较双固定铰方案大7.6cm。

温度升高30℃时，由于方案①的结构纵向可以自由活动，因此方案①的水平位移明显大于方案②，与此同时由于方案②限制结构的纵向位移，温升时方案②产生的竖向位移明显大于方案①。

这说明固定铰支座方案能提高结构的竖向刚度，但两支座体系的结构刚度都比较大，活载作用下挠度均远小于1/800的要求，因此刚度不是设计控制因素。

不同支座体系支反力

恒载作用下两支座方案产生支座反力如表1所示，因为活动铰方案竖向挠度大于固定支座方案，中跨下挠的同时使边跨上拱，因此活动铰方案能减小边支座的反力，而中跨支座的反力则增大了8484kN，可见边跨的这部分竖向反力转由拱脚处的支座承担；而对于双固定铰方案，支座需承受35147.9kN的水平推力。

表1　不同支座方案恒载支反力数据（kN）

由上述分析可见，仅在恒载作用下，两种支座方案计算得到的结构内力及位移的差别都不大；在温度荷载作用下，固定铰支座结构构件产生的附加内力明显大于活动铰方案。但双铰支座需要承受水平推力，相比之下活动铰方案支座不受水平推力，施工期间可对结构进行位移调整而不影响结构受力，易于保证成桥线形和受力状态。

矢跨比研究

矢跨比是拱桥的一个特征参数，随着矢跨比的增大，桥梁拱的特性越来越显著，反之梁的特性越明显。拱的矢高对结构内力、吊杆长度、动力特性、刚度和稳定性、施工难度以及工程经济性和桥梁美观等各方面均存在较大的影响。对于大跨度拱桥，为了达到较大的跨径，需要适当增大矢跨比，但随着矢跨比的增大，拱圈部分杆件的长度也随之增大，增加用钢量；而减小矢跨比会增大拱脚的推力，对基础的要求更高（有推力拱）或者会增加系梁或系杆的用量（无推力拱）。因此，选择矢跨比时应综合考虑各种影响因素。大跨径钢桁架拱桥的矢跨可选在1/4～1/6之间，大部分在1/4～1/5之间。

为研究矢跨比对钢桁拱桥的影响，保持桥梁孔跨和拱轴系数不变，改变矢高为66.6m、80m、85m、90m、95m、100m和133.3m，对应的矢跨比1/6、1/5、1/4.71、1/4.44、1/4.21和1/3。当矢跨比变化时，下弦拱轴上的节点坐标通过m=1.6133次悬链线方程计算得到，悬链线方程如式（1）所示：

其中：

ε=2x/l

f——矢跨比；

m——拱轴系数；

l——拱桥跨度；

gd——拱顶的恒载集度；

表2　不同矢高比结构挠度分布

表3　不同拱轴线对结构受力影响

不同矢高计算得到的结构内力和挠度如表2所示，可见增大矢跨比可以减小拱脚处杆件的轴力，改善结构竖向刚度和梁端转角，但横向刚度随之减弱，矢跨比过大也会使主拱圈拱肋部分钢材的用量增加，增大建造成本；且对结构的抗倾覆能力和抗震性能有不利影响，增加施工难度；减小矢跨比会增加拱的推力，对于有推力拱来说，推力增加对桥梁基础部分不利，对于无推力拱来说，会增加系梁或水平拉索的用量；综合考虑设计、制造、施工难度、刚度及行车条件及用钢量，钢桁架系杆拱桥的矢跨比取为1/4～1/5是合理的，横琴二桥的设计矢跨比为1/4.44，处于最优区间。

拱轴线研究

拱轴线是拱桥概念设计中的重要参数，直接关系到拱肋截面内力的大小和分布。选择拱轴线的原则就是尽可能降低荷载产生的弯矩，当设计拱轴线为理想拱轴线时，拱肋截面只有轴向压力而无弯矩作用。但由于活载、温度变化和材料收缩等因素的影响，这种理想拱轴线实际中很难获得。

对于钢桁架拱桥，拱肋下弦杆为真实的拱轴线。为了研究拱轴线对结构的影响，通过改变拱轴系数m来调整下弦拱轴线，且尽量保持原结构杆件设计长度、重量的不变，调整上弦拱轴线圆曲线半径及微调部分腹杆长度和斜腹杆长度、角度。分别以拱轴系数m=1.4、m=1.5、m=1.6133，二次抛物线、m=1.7、m=1.8对结构进行调整计算。

从表3可以看出，对于钢桁架拱桥而言，拱轴线对结构的受力影响不大。因此，大跨度钢桁架拱桥拱轴线的选择更应该从外形美观、与周围景观搭配协调、制作和施工方便来考虑。