大跨度单索面钢管混凝土拱桥横向刚度控制因素研究

赵品毅

摘 要：针对大跨度单索面钢管混凝土拱桥拱肋横向刚度低的特点，对影响其横向刚度的控制因素进行系统研究。结果表明：增加副拱、调整主拱截面尺寸均能有效提高其横向刚度。研究结论已成功应用于某跨江市政桥梁设计。

关键词：单索面 钢管混凝土拱 横向刚度

中图分类号：U448.22 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）06（b）-0082-02

连续梁拱组合体系桥梁或连续刚构拱组合体系桥梁已大量运用于国内外桥梁建设中，国内外很多学者均对该类型桥梁进行了系统的研究[1-4]。目前，国内外已有连续梁拱组合体系或者是连续刚构拱组合体系结构，它们一般采用双索面或多索面的拱肋，拱肋中间采用横撑连接，这保证了主拱横向具有足够的刚度及稳定性。

对F4桥来说，是将连续刚构作为主要结构受力体系，属于典型的连续刚构拱组合体系，但是，将单跨跨度长达160 m的单索面拱肋作为加劲拱，这在国内外都实属罕见，因为桥式是否具有可行性的控制因素决定于主拱的横向。

F4桥主桥跨径布置为（84+160+84）m，上部结构采用连续刚构拱组合体系，上部结构以连续刚构为主体，并在主跨配以单拱肋进行加劲。加劲拱肋设于主跨中央分隔带处，矢跨比1/5，跨径160 m，拱肋轴线采用二次抛物线。

为保证景观效果，拱肋由一片主拱和两片副拱组成，其中主拱仅在主跨范围内设置，通过0号块拱脚预埋段与主梁形成连续刚构拱组合体系；副拱在主桥范围内均有设置，两片副拱通过横杆连接，主跨范围内副拱通过竖杆与主拱相连，边跨范围内通过竖杆与主梁预埋钢板相连；横杆、竖杆连接在竖平面内形成稳定的三角体系。桥梁总体布置见图1～图2。

1 副拱对拱肋横向刚度的影响

从景观性的角度出發，F4桥增设两副拱。由于副拱相对于主拱刚度很小，计算中往往忽视其对刚度的贡献，而仅将其自重计入，从而导致拱肋结构刚度偏小。

假定主拱外径采用2 000 mm、壁厚采用24 mm，副拱外径采用500 mm、壁厚采用12 mm时，主拱及副拱间连接杆件采用宽500 mm、厚36 mm的钢板，对是否考虑副拱抗力主拱跨中横向位移进行比较。计算模型如图3所示，计算结果如表1所示。

由计算结果可知，计算模型中考虑副拱对横向刚度的影响，主拱跨中横向位移有较大程度减小，相比不考虑副拱作用减小了59.4 mm（24.5%），即设置副拱大大增加了拱肋的横向刚度。

2 主拱截面尺寸对拱肋横向刚度的影响

拱肋采用单圆管钢管混凝土拱，采用Q345钢材，管内灌注C60混凝土。为研究主拱截面尺寸对拱肋横向刚度的影响，从如下方面进行比较：（1）主拱采用不同管径时横向刚度的比较；（2）主拱采用不同壁厚时横向刚度的比较；（3）主拱采用带肋空钢管与钢管混凝土的横向刚度比较。

（1）主拱采用不同管径、壁厚对拱肋横向刚度的影响。

主拱横向刚度的比较如表2所示。

从表2可以看出，主拱肋钢管壁厚相等的情况下，钢管外径每增加10 cm，横向位移相应减少约12%；钢管外径相同的情况下，壁厚每增加4 mm，横向位移相应减少约3.6%。

（2）主拱采用带肋空钢管和钢管混凝土时拱肋横向刚度的比较。

主拱横向刚度的比较如表3所示。

从表3可以看出，在钢管尺寸相同的情况下，带肋空钢管刚度远小于钢管混凝土。

综上所述，增加主拱截面尺寸能有效的解决拱肋横向刚度问题。

3 结论

（1）设置副拱能有效增加大跨度单索面钢管混凝土拱横向刚度，设计中不能忽视其对拱肋横向刚度的贡献。

（2）增加钢管截面尺寸亦能有效增加钢管混凝土拱横向刚度，且增加管径比增加壁厚效率更高。

（3）通过设置副拱、合理增加主拱钢管截面尺寸，能有效解决大跨度单索面钢管混凝土拱横向刚度偏小的问题，并成功应用于F4桥。

参考文献

[1] 董华县.大跨铁路连续梁拱组合桥梁空间受力性能分析[D].中南大学，2009.

[2] 刘成传，陈立玲.钢管混凝土拱桥的发展及应用[J].水泥与混凝土，2009（3）：100-101.

[3] 陈宝春.钢管混凝土拱桥应用与研究进展[J].公路，2008（11）：57-66.

[4] 陈宝春，盛叶.钢管混凝土哑铃形拱面内极限承载力研究[J].工程力学，2009，26（9）：94-104.