多跨中承式系杆拱桥的系杆组合布置方案研究*

彭桂瀚 朱承坚 林 伟

(福州大学土木工程学院1) 福州 350116) (可持续与创新桥梁福建省高校工程研究中心2) 福州 350116)

多跨中承式系杆拱桥的系杆组合布置方案研究*

彭桂瀚1,2)朱承坚1)林 伟1)

(福州大学土木工程学院1)福州 350116) (可持续与创新桥梁福建省高校工程研究中心2)福州 350116)

以江西余兴贵大桥为背景工程，采用有限元分析方法，研究多跨中承式系杆拱桥中的通长系杆与分跨短系杆作用，讨论合理系杆布置方案.结果表明，边跨系杆减小拱脚负弯矩，可改善刚构区受力性能；中跨系杆增大拱脚负弯矩，不利于主拱肋受力；通长系杆作用与边跨系杆相同.从平衡推力、结构内力影响及施工便利等方面综合考虑，边跨系杆与通长系杆的组合为合理方案.

系杆拱桥；系杆布置；有限元；边跨系杆；通长系杆

0 引 言

杆拱桥中系杆是关键受力构件，承担大部分拱肋的不平衡水平推力.系杆拱桥施工工序繁琐，施工过程中通过不断调整系杆张拉力，确保结构安全进行.文献[1-2]以平衡水平推力为目标，探讨基础与系杆力最佳组合形式；文献[3]研究系杆力对拱肋内力的影响；文献[4]通过选择矢跨比、边跨压重等措施实现系杆拱结构自平衡.可见，系杆形式、张拉顺序及大小等将直接影响结构内力.根据文献[5-8]，系杆通常以通长形式锚固在端横梁处，见图1a)；有时为了满足结构受力及施工要求，系杆也可采用短系杆形式，如重庆菜园坝大桥采用了边跨系杆与中跨系杆的短系杆组合方式，见图1b)；江西余兴贵大桥则采用边跨系杆、中跨系杆与通长系杆等3种类型系杆的组合方式，见图1c).系杆钢束普遍采用直线束，不宜采用曲线束[9].各类系杆平衡水平推力的效果，对拱肋结构内力影响等，目前缺少相关研究成果.本文以江西鹰潭余兴贵大桥为背景工程，建立空间有限元模型，研究边跨系杆、中跨系杆及通长系杆对拱肋内力影响，综合考虑结构内力影响、平衡推力效果以及施工方便性，探讨合理系杆组合布置方案.

图1 各类系杆示意图

1 背景工程

江西余信贵大桥主桥是48 m+168 m+48 m中承式蝴蝶型钢箱拱肋系杆拱桥.主拱拱肋跨径168 m，矢高48 m，矢跨比为1/3.5.边拱肋、边跨主梁及主拱肋拱脚段组成的三角刚构区采用混凝土结构，主拱肋桥面以上采用钢箱结构，主跨主梁采用钢-混凝土组合梁形式.总体布置图见图2.

图2 余信贵大桥总体布置图(单位：m)

该桥系杆系统由3部分组成：全桥通长系杆(8索15Φ55，编号T1)、中跨系杆(4索15Φ27，编号T2)、边跨系杆(4索15Φ55，编号T3)，均为夹片式钢绞线全防腐型可换可调系杆.通长系杆梁端张拉，锚固于主桥两侧端横梁，从钢横梁预留孔洞及边跨混凝土箱梁内穿过；中跨系杆设于主跨钢横梁上部，两端张拉且锚固于主拱肋混凝土段上；边跨系杆穿过边跨箱梁箱室，采用单端张拉，一端锚固于边跨端横梁处(张拉端)，另一端锚固于主拱肋混凝土段上(固定端).主要施工阶段及设计系杆张拉力见表1.

表1 主要施工阶段及系杆张拉

2 各类系杆作用分析

2.1 有限元模型

采用专业有限元软件建立空间计算模型，见图3.计算模型中，除了索结构包括系杆与吊杆采用桁架单元模拟外，其他构件模拟均采用空间梁单元[10].钢-混凝土组合纵横梁采用联合截面模拟以保证时间依存性分析的准确性；采用m法模拟桩土的相互作用，使用节点弹性支撑模拟；桩底采用固结约束.有限元模型共计2 406个节点，3 334个单元.

图3 余信贵大桥有限元计算模型

2.2 平衡水平推力效果

表2详细列出了主要施工阶段，各类系杆承担的水平推力具体数值.在施工过程中，边跨系杆承担水平推力基本不变，始终保持在3 000 kN左右；在安装通长系杆前，中跨系杆承担了大多数水平推力，最大比例达72.6%.但随着通长系杆安装并分阶段张拉后，通长系杆承担水平推力比例不断增加，成桥时达到83.1%.分跨短系杆承担比例不断下降，成桥时中跨系杆与边跨系杆承担比例分别为9.5%与7.4%.通长系杆在成桥后承担了大部分平衡推力，而分跨系杆分担了施工阶段的水平推力.

表2 各类系杆所承担水平推力及所占百分比

张拉单一系杆以平衡拱脚水平推力为目标，所需系杆张拉力与水平推力呈正比线性关系，见图4.图中边跨系杆、中跨系杆与通长系杆张拉力与水平推力的关系直线的斜率分别0.11，0.77与0.90.平衡等量水平推力，以通长系杆所需张拉最小，为中跨系杆的86%，边跨系杆的12%.

图4 各类系杆张拉力与水平推力关系图

2.3 对拱肋内力影响

图5 CS12阶段拱肋内力图

以CS12施工阶段为例，分析各系杆对拱肋内力影响，见图5.边跨系杆对三角刚构区的混凝土拱肋内力影响大.张拉系杆后拱脚负弯矩大幅减小，主拱拱脚负弯矩峰值减小132.6 kN·m，减幅76%；同时拱肋轴向力增大，增幅边拱肋大于主拱肋.边跨系杆等同于对三角刚构区施加预应力作用，可提高混凝土结构的抗裂性能，对结构受力有利.

中跨系杆主要影响主拱肋内力.张拉中跨系杆增大主拱肋拱脚负弯矩，峰值增加41.1 kN·m；减小拱脚段轴向压力，增大桥面以上钢箱拱肋的轴向压力，对主拱肋整体受力不利，尽管减小了拱顶正弯矩.因此，施工过程中应注重中跨系杆的张拉设计，需确保结构安全.

通长系杆对拱肋内力的影响与边跨系杆相同，但幅度小于边拱肋；弯矩影响小于轴力，对边拱肋轴力影响较大.

图6为系杆力与拱肋内力关系图，由图6可知，系杆力与拱脚内力呈线性关系.其中通长系杆、中跨系杆及边跨系杆的主拱拱脚弯矩关系直线斜率分为-0.77，4.82及-4.29；边拱拱脚弯矩直线斜率分为-0.53，1.13及-0.9；主拱拱脚轴力直线斜率分为0.026，-0.28与0.35；边拱拱脚轴力直线斜率分为0.30，-0.14及0.47.中跨系杆对拱脚弯矩影响灵感度最大，通长系杆最小；而对拱脚轴力影响以边跨系杆最大.

图6 系杆张拉与拱肋内力关系图

3 系杆组合方案

系杆组合考虑以下3种方案，方案一为边跨系杆、中跨系杆与通长系杆组合形式；方案二为边跨系杆与中跨系杆组合形式；方案三为边跨系杆与通长系杆组合形式.

3.1 系杆张拉力比较

以背景工程为例，各方案在五个主要阶段张拉系杆力平衡水平推力，张拉力见表3.由于平衡推力以通长系杆为最优，因此未设通长系杆的方案二总拉力最大；同时由于中跨系杆平衡推力效果优于边跨系杆，方案一总拉力最小，为方案二的84%.

3.2 拱肋内力对比

图7是CS17施工工况(阶段五)系杆张拉下拱肋内力图.方案一与方案三内力曲线变化规律相同，数值相差不大，弯矩值大致相同，轴向压力方案三略大.方案二内力曲线变化大，混凝土拱肋段弯矩值远大于方案一与方案三，轴向压力小于方案一与方案三.图8为主拱肋拱脚内力图，以受力最不利拱脚截面为例，方案二主拱肋拱脚负弯矩-221.8×103kN·m，方案一仅为-4.4×103kN·m，方案二是方案一的50.7倍.而轴向压力方案一为方案二的1.3倍.

表3 系杆张拉力对比 kN

图7 CS17阶段主拱肋内力对比

图8 主拱肋拱脚内力

比较3种组合方案对拱肋内力及平衡推力的影响，方案二因未配置平衡效果最优的通长系杆，需要张拉效果次之的中跨系杆以平衡水平推力.故3个组合方案中系杆张拉总量以方案二最大.同时张拉中跨系杆还将产生过大的拱脚负弯矩，对结构极为不利.同比方案一与方案三，系杆张拉力总量方案一略小；对结构内力影响相差不大，方案三效果略优.考虑到方案一较方案三多设中跨系杆，增加了施工调索工序，提高了工程造价，同时张拉中跨系杆时需密切关注结构内力与变形的变化情况，确保结构施工安全.因此，综合考虑施工便利性，工程造价，系杆张拉总量及结构内力影响等因素，对于多跨中承式系杆拱桥，边跨系杆与通长系杆组合的方案三为合理系杆布置方案.

4 结 论

1) 通长系杆未张拉前，水平推力主要由中跨系杆承担；通长系杆张拉后，水平推力则由通长系杆承担；边跨系杆承担水平推力比例小.

2) 平衡同等增量的水平推力，以通长系杆所需张拉力最小，中跨系杆略大，边跨系杆最大.

3) 边跨系杆与通长系杆减小拱肋拱脚处负弯矩，可改善土三角刚构区受力状况；中跨系杆作用则相反，且对主拱肋整体受力不利.

4) 综合考虑各类系杆作用、平衡水平推力效果以及施工难易性，得出边跨系杆与通长系杆组合方案为合理布置方案.

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Analysis on the Tied-bar Composite Displacement of Multi-span and Half-through Tied Bar Arch Bridge

PENG Guihan1,2)ZHU Chengjian1)LIN Wei1)

(CivilEngineeringCollege,FuzhouUniversity,Fuzhou350108,China)1)(SustainableandInnovativeBridge,EngineeringResearchCenterofFujianProvince,Fuzhou350002,China)2)

The Yuxingui Bridge is chosen as an example. By using the finite element method, the effects of the through tied bar and the single span tied bar on the structural characteristics are analyzed and the reasonable tied bar displacement scheme is discussed. The results show that the side-span tied bar can reduce the negative moment of the arch springing region, and improve the mechanical behavior of the structure of the triangle rigid region. The middle-span tied bar raises the negative moment of the arch springing and causes the negative effect to the main arch rib. The function of the through tied bar is the same as the side-span tied bar, but its effect is less than that of the side-span tied bar. Finally, the displacement of tied bar which is composed of the side-span tied bar and the through tied bar is considered to be one reasonable scheme by considering the construction convenience, economy and the mechanical behavior of the structure.

tied-bar arch bridge; tied bar displace; finite element; side-span tied bar; through tied bar

2017-01-27

*国家自然科学基金项目(51578159)、福州大学科技发展基金项目(2014-XQ-32)资助

U442.5

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.02.008

彭桂瀚(1975—)：男，硕士，副教授，主要研究领域为结构与大跨度桥梁