连续梁拱组合桥梁设计

张学同

新疆路桥建设集团有限公司 新疆 乌鲁木齐 830000

引言

随着现代经济的不断发展，连续梁桥已无法满足当前对大跨径的需求。作为从连续梁桥发展而来的连续梁拱组合桥，相比于传统拱桥，连续梁拱组合体系在受力上避免了拱端的巨大推力，并且使得桥梁所承受的弯矩和剪力更加合理，充分利用混凝土以及预应力筋，具有较大的经济优势。

1 连续梁拱组合体系桥失跨比分析

拱桥的拱肋，系梁内力值以及施工方法等均受到失跨比的影响。当失跨比减小时，一般拱桥的水平和垂直受力的比值将会随着增加，反之则比值降低。同时，由混凝土收缩徐变以及温度等变化导致的附加应力也随着失跨比的降低而增大。因此，在进行设计时应综合对比失跨比的取值，以合理选取。

为使分析结果建立在同等条件之下，本文在系梁和拱肋的计算过程中作出了如下假定：

（1）相同的截面尺寸，配筋以及桥面布置；相同的荷载标准以及布置吊杆的间距相同；

（2）均采用弹性支承的方法进行连续梁横向荷载分布的计算；

（3）均按照连续梁以滑动支座作为边支座，以铰支座及滑动支座作为中墩支座的方式作为计算图示；

（4）恒载以及活载的计算均按照一次落架计算；

为研究连续梁拱组合桥梁与失跨比之间的关系，本文将研究对象的计算跨径选取为3跨20+60+20m，以失跨比作为变化参数，比较连续梁拱桥在恒载以及温度等荷载作用时结构的内力所受失跨比的影响。

1.1 恒载作用下结构内力

表1 失跨比不同时跨中梁，拱的内力

从表1可知，连续梁拱组合桥在恒载作用下的结构内力所受失跨比的影响较大。梁拱的张拉力在失跨比降低时增大。其中，失跨比降低的数值同系梁轴力以及拱肋的水平推力变化的幅度值相同，其变化幅度为92%；但随着失跨比的降低，系梁以及拱肋的弯矩变化呈现出相反的情况，系梁的弯矩变化情况为先上升后下降，拱肋的弯矩变化情况为先下降后上升在下降，为非线性变化。导致该种现象的原因是在大失跨比的条件下，若跨径较小，将会恒载作用下导致拱肋合理拱轴线与抛物线有较大的偏离，而当失跨比降低时，拱肋合理拱轴线和抛物线的偏离将会有所降低，但降低到一定值时，又开始产生偏离。

1.2 活载作用下结构内力

将1/4跨径下的结构内力值设定为1，并将所得结果绘制如图1所示。

图1 活载作用下随失跨比变化时的结构内力

由图1可知，失跨比的变化对活载作用下的结构内力具有较大的影响。其中，随着失跨比的变化，活载作用下的轴力变化规律同恒载作用下轴力的变化规律相同，只是数值稍大；而在失跨比降低时，系梁的弯矩呈现出的变化规律为先下降后上升，拱肋弯矩的变化规律则是持续降低。

2 连续梁拱组合体系桥刚度比分析

连续梁拱组合体系水平力的平衡主要是依靠纵梁来实现的。在拱脚处梁和拱以刚结的方式放置于支座上。该种方式可使荷载由梁拱一起承担，并且可降低对墩台的要求，在一定程度上节约了材料。

在连续梁拱组合体系中，其刚度可分为两部分，一是拱肋的抗弯刚度，主要是指桥拱的刚度，二是梁的刚度，主要是指系梁以及桥梁共同作用的刚度。根据两种刚度的相对值大小又可细分为三种，分别是刚梁刚拱或柔拱，以及柔梁刚拱。

刚梁柔拱指的是拱肋的抗弯刚度与系梁的抗弯刚度之比小于1/80的时候。在该种情况下，认为梁的抗弯刚度远大于拱的，因此认为在该种情况下的系梁承担了全部弯矩，而拱肋仅受到轴线压力的作用；

柔梁刚拱指的是拱肋的抗弯刚度与系梁的抗弯刚度之比大于80的时候。在该种情况下，认为拱的抗弯刚度远大于梁的，既拱承担了全部弯矩，而梁仅受到轴向力的作用。

刚梁刚拱指的是拱肋的抗弯刚度与系梁的抗弯刚度在1/80和80之间的时候。在该种情况下，认为荷载由拱和梁共同承担，根据梁拱刚度分担弯矩。

研究对象的选取同上，通过改变梁拱抗弯刚度的比值，已分析截面面积相同时梁拱的内力情况。

2.1 梁拱在不同抗弯刚度比时恒载作用下的结构内力

表2 连续梁拱组合体系桥在恒载作用下时不同刚度比对内力的影响

由表2可知，在保持梁拱截面面积一定时，结构轴向力在改变梁拱刚度比时所受的影响较小，刚度比的变化仅影响了梁拱弯矩的分配。随着梁拱刚度比的上升，系梁以及拱肋的弯矩均表现出先下降后上升的趋势，但在刚度比变化对弯矩的影响中，拱肋所受影响大于系梁。当梁拱刚度比在0.5-1的范围内时，拱肋的弯矩变化幅度最大；当梁拱刚度比在1-3的范围内时，系梁的弯矩有最大的变化速率，在该区间外系梁的弯矩变化有所降低，这说明了在该区间内，系梁的弯矩所受刚度比变化的影响最大。

2.2 梁拱在不同抗弯刚度比时恒载作用下的结构内力

将刚度比为1时的结构能力基数定为1，所得结果如图2所示。

图2 活载作用下不同刚度比对结构弯矩的影响

由于在活载作用下，刚度比的变化对结构的轴向力几乎无影响，因此，本文仅列出活载作用下不同刚度比对结构弯矩的影响，如上图所示。从图中可知，不同刚度比对梁拱弯矩的影响主要是弯矩的分配，随着整体刚度中拱肋刚度所在比例的增加，其所承受的弯矩也随之增加。与恒载作用刚度比变化对弯矩的影响不同的是，随着刚度比的变化，系梁弯矩所受到的影响程度小于拱肋。当刚度比在1以上时，比起刚度比比1小的情况，梁拱弯矩差值较大，且在刚度比在区间1-2时，拱肋的弯矩具有最大的变化曲率。

同时改变面积以及抗弯惯性矩时结构内力变化情况

不同刚度比时恒载作用下的结构内力如表3所示。

表3 恒载作用时不同刚度比对结构内力的影响

从上表可看出，由于拱梁的自重随着面积以及抗弯惯性矩的变化而变化，因此随着刚度比的变化梁拱轴向力也随着改变，并同刚度比的变化呈相同的线性变化。由于梁拱的面积变化，使梁拱弯矩并不随着刚度比的上升而下降，对于梁和拱都存在有一个较优的取值：当刚度比在2时，系梁的弯矩有最小值，并且系梁弯矩的变化速率在刚度比为1/4-1区间时最大；而拱肋跨中弯矩的最小值出现在刚度比为1时，并且其弯矩的变化速率在刚度比为0.5-3区间内。从表中可知，在刚度比为1的情况下，梁拱组合桥具有最大的受力状态，当刚度比比1小时，随着刚度比的降低，梁的弯矩不断上升，因此，刚度比较为合理的区间为0.5-2。

3 结语

通过上述分析，本文主要得出下列结论：

（1）连续梁拱组合体系桥梁在恒载以及活载作用时的结构能力，受失跨比影响最大的为轴向力。

（2）不管是恒载还是活载的作用下，失跨比对结构轴向力的影响规律均相同，表现为随着失跨比的降低而线性上升。对于桥梁结构的弯矩则表现为非线性变化。

（3）当梁拱面积保持不变时，刚度比的变化对恒载作用下的结构轴向力影响较小，主要影响梁拱弯矩的分配。当同时改变梁拱截面面积以及抗弯惯性矩时，随着刚度比的减小梁拱轴线上不断上升，系梁弯矩所受刚度比变化的影响较拱肋大。

（4）当刚度比取值在区间2-0.5之间时，梁拱的弯矩可以得到较为均匀的分配，受力较为合理，构造处理也较为方便。