张力索桁-拱组合桥设计与施工

2022-11-09吴清明丁明钢

四川建筑 2022年5期

关键词：跨径吊杆拱桥

吴清明，丁明钢，杜娟，刘彪

(1.中交通力股份有限公司，陕西西安 710075； 2.四川省建筑设计研究院有限公司，四川成都 610000；3.四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川成都 610031)

1 结构形式

1.1 张力索桁

三角形桁架是实体杆件组合稳定结构，柔索只能受拉，无抗压刚度。使用拉索和梁组合形成三角形桁架，拉索材料强度高，具有轻型化特性，不能简单称为桁架结构。若索承受张拉力，则形成稳定三角形结构，可称为“张力索桁”，是桁架结构的“衍生”名称。

1.2 张力索桁特性

“张力索桁吊桥”是新结构，原理是将斜拉桥和悬索吊桥技术作结合、改造、创新应用，充分发挥二者优点,克服弱点，获得结构稳定、刚度大、变形小、自重轻、桥面系受压、抗风稳定好、跨度大特点，采用结构架设的重力刚度作自张拉成桥。将悬索吊桥几何不稳定和非线性变形，转变为几何稳定的桁架弹性刚度，使结构技术向轻型和优化发展。张力拉索材料有强度高、自重轻、抗拉刚度大、传力直接特点，适合用作大和特大跨径桥梁、大空间屋盖[1]，可与拱梁作组合使用。

1.3 拱桥

拱桥是拱形曲线使材料受压、弯作功承载，具有外形美观、结构稳定、刚度大、施工不便特点。大跨径拱桥自重很大、施工很困难，有材料强度、结构刚度、稳定和安全困难需要解决。拱桥形式很多，跨径大、小差别大，按使用、材料、经济、技术条件而定。钢材强度高，结构自重较轻，很适合用作大跨径桥。钢管混凝土施工较方便，已用于大、中跨径拱桥。

2 张力索桁-拱组合桥

2.1 拱桥发展的困难

大和特大跨径拱桥发展，虽然可采用斜拉桥原理架设施工，架设费用高，也很困难。

钢拱桥材料强度高，但有结构稳定需要加强。钢管混凝土有钢管温变脱空影响，也有刚度、稳定、笨重、防护问题，使用受到局限。

2.2 拱桥减重

使大和特大跨径拱桥获得发展，需要优化结构和减轻自重。有必要采用稳定性好的钢结构，宜采用轻型复合钢桥面板，方便施工、养护。采用“张力索桁-拱组合桥”结构，加强拱肋桁架强度、刚度和稳定。将“张力索桁吊桥”桥面加劲桁架部份材料分离，用作拱肋桁架，既有拱特性，又便于形成和加强“张力索桁”，减轻拱肋桁架自重。桥面采用大型号热轧H型钢作边加劲纵梁和纵、横格梁，焊接形成简单钢格构形式和正交异性板钢桥面。加设玻纤网和环氧—煤焦油混凝土复合黏结层，加铺改性沥青混凝土防护层，加强正交异性钢桥面板刚度。

2.3 张力索-拱桁结构

“张力索桁”是稳定结构，适合与梁或桁架作组合应用。采用张力索与拱肋桁架组合，具有“似拱非拱”特性，承受悬吊桥面系，使钢结构加工简便、经济合理。具有刚度大、稳定性好、自重轻、跨度大特点，张力拉索材料强度高、拉力大、自重轻、便于加强，主要承受全桥重量(图1)。

2.4 张力索桁-拱组合桥特点

“张力索桁”与拱肋桁架都是稳定弹性结构，可共同组合形成“张力索桁-拱组合桥”。将吊桥桥面加劲桁架部分材料分离，用作拱肋桁架，既具有拱的强度、刚度、稳定作用，又便于形成和加强“张力索桁”，减轻拱肋桁架自重，再悬吊桥面系。主要是加强拱的抗弯刚度和稳定，实现索、拱共同承重和变形协调。弯矩的作功原理是力乘力臂，梁(桁架)高、拱的矢高、悬索的垂度、斜拉索的塔高都起力臂作用，唯梁(桁架)高度起的作用小。在集中活荷载作用时，曲线拱肋桁架比平直桁架梁的抗弯刚度强大。拱肋桁架是压弯受力，不易变形。矢高与拱推力相乘，形成巨大抗弯平衡力矩。而平直桁架梁是纯弯曲受力，抗弯刚度小、容易变形，大跨度铁路钢桁架桥都用钢拱肋加强跨中抗弯刚度。这个结构特点的概念很重要，利用拱的抗弯特性，是作结构创新应用(图2)。

图2 张力索桁-拱组合

“张力索桁-拱组合桥”是拉索和拱共同承受荷载，因为拉索是使用“名义弹性模量”，已经“应力刚化”，即成桥过程作预应力张拉，结构承受荷载的拉索强度高，故主要是拉索承重和保证安全，而不是拱肋桁架受压作主要承重，与一般拱桥概念不同。拉索刚度强大，对拱肋桁架起到承重和稳定作用，比单独拱肋桁架承重推力小，更合理、安全，显出组合结构优越性。桥面系悬吊在拱肋桁架上，具有重力刚度平衡和稳定作用，与拱肋桁架共同协调变形。采用大小2种分离三角形网状吊杆悬吊桥面系，使桥面轴向受压，加强桥面系刚度和稳定。拱肋桁架作组合使用的矢跨比变化灵活，大和特大跨径可以是较小矢跨比(1/10～1/12)坦拱，拱肋桁架仅起辅助承重作用，是发展变化的新型结构，显出拱桥壮观和曲线美。这是研究大和特大跨径拱桥而提出的，一般是作单跨形式使用。因为设有锚碇，可灵活作连续多跨使用，使锚碇设置适应地形、地质条件和广泛应用。

2.5 张力索桁塔架

单纯大和特大跨径拱桥自重很大，应用很困难，采用“张力索桁—拱组合桥”则可实现。

塔架是主要承重结构，特性与吊桥相同，施工方法相同。采用钢筋混凝土箱形塔柱，使用滑升钢桁架立模浇筑施工方便，比较经济合理。只是塔架自重大，对地基和基础要求较高。但塔架高度不宜过高，限制了跨径发展，宜采用坦拱相配合。

3 拱肋桁架特性

3.1 桁架材料

拱肋桁架宜轻而强，关键是保持结构局部和整体稳定。钢材强度高，是理想结构材料。但钢材强度受结构刚度和稳定影响，强度潜力无法充分发挥，所以结构选型很重要。桁架杆件主要是承受拉,压力,结构宜刚度大和自重轻。钢管截面特性各向相同，但受压有稳定和局部皱损失圆问题，影响材料强度发挥。钢管不便作加劲、加强，可选择适当管径和加大管壁厚度解决。拱肋桁架只起有限承压作用，主要是抗弯和保持稳定，不宜采用过大管径，不同跨径宜作管径比选。钢管混凝土材料强度能够共同发挥，但自重大，管径应适当，不宜用作特大跨径拱桥。

3.2 桁架形式

钢管拱肋桁架横断面采用三角形式的梯形，上弦杆双管平行净距30cm，保持三角形稳定形式，方便两片桁架作平面加工，以便立起作梯形成型连接加工，方便张力拉索和桥面吊杆安装连接。“张力索桁”特性是两端刚度大，跨中段索桁高度和刚度小的变形较大。拱肋桁架除起到一定拱承压作用，主要是起抗弯和稳定作用，桁架宜采用等高度形式，以方便加工。取高H=6m、宽B=4m较合理。腹杆钢管为三角形，加大桁架高度可采用“米”字形，适用于更大跨径。

钢管拱肋桁架被张力拉索扣吊，获得一定横向稳定，又有两端斜拉索抗扭保持横向稳定，两拱肋桁架之间加设平行钢管横撑桁架保持稳定，管径可以较小。横撑桁架横断面为三角形，纵向间距为40m，弦杆钢管φ400mm×10mm，腹杆钢管φ245mm×8mm。横撑桁架腹杆为三角形，亦可采用“米”字形加大横撑桁架高度。

3.3 桁架节点

钢管拱肋桁架采用分节段吊装架设，采用纵向夹板螺栓定位、连接和焊接，应使空中接头减少。拱肋桁架架设吊装与横撑钢管桁架相配合，使钢管拱肋桁架逐步定位成型，保证施工安全。桁架节点传力复杂，承受张力拉索和吊杆集中力。桁架弦杆钢管在节点局部长度内，需要焊接横隔钢板，灌注C50混凝土形成钢管混凝土扩散集中压力。拱肋桁架腹杆在结点作相贯连接焊接，设节点板作加劲肋板加强连接。

3.4 桁架防护

钢管拱肋桁架防护工作量大，为减少钢管养护麻烦，桁架钢管宜采用耐候钢制造，仅作颜色涂装处理。

3.5 拱肋桁架边界

拱肋桁架的边界是在桥面加载后，可采用无铰拱固结或双铰拱支承，采用系杆平衡拱推力，在桥面架设后加设系杆索和作张拉。

3.6 抗风稳定

因为跨径大和特大，将桥面加劲桁架部分材料分离上移作拱肋，使桥面系抗风稳定问题突出。为加强桥面板抗扭刚度和抗风稳定，采用加边纵梁作加劲桁架，与桥面板共同组合形成板桁结构，并加设水平风撑桁架。加劲桁架与横梁桁架同高，横梁、边加劲纵梁桁架和风撑桁架，都采用轻型方钢管桁架，属于轻型桁架，仍能够形成较大抗扭刚度。在边加劲纵梁外侧加设建筑轻型钢结构风嘴，内侧加斜板导流。纵梁底面采用建筑轻型钢结构装修，形成封闭箱梁，养护方便。在桥面中央开设透风孔，保持桥面上、下风压力平衡，避免升力引起桥面扭转和发生涡激振动。拱肋结构刚度较大，桥面吊杆设为稳定小三角形斜吊杆，方便桥面架设安装，成桥后再加设大三角形斜吊杆，以加强整体稳定，避免桥面板发生颤振的共振。桥面宽度和荷载都大，需要加设预应力横梁桁架。横、竖向风力作用，可简化为横、竖等代集中风力，作用在桥面吊杆节点作简化计算。拱肋桁架钢管受风作用较小，可在横撑桁架节点加等代集中风力作简化计算。

3.7 抗地震

自重主要是由张力索桁拉索承受，受地震影响小，地震对塔架影响大，另作分析计算。

4 结构计算

因为是稳定先进结构，为高次超静定复杂结构，可采用实用工程数值模拟“仿真”建模，使用工作站计算机作大数据计算方便。

4.1 算力设备

实用工程数值模拟“仿真”建模逼近真实结构，使计算模型单元数量很大。要求计算机速度快和内存大，这是算力问题。一般PC微机算力有限，只宜计算简化问题。图形工作站是双CPU，计算机速度快，内存可加大到16G、32G，显存可大于4G，计算时间可长达数小时。自备工作站计算比HPC机方便、经济合理，可达近100万单元，利用结构对称性可节省一半单元，计算模型规模很大。

4.2 模拟仿真建模

结构数值模拟“仿真”建模逼近真实结构，不同类型单元组合连接复杂、困难。有限元程序无法完全提供标准模型，需要对程序模型作开发。再加设梁单元作连接处理，使单元数量庞大。对不同类型单元组合连接，需要加设“拓扑”梁单元作连接，具有拉、压、弯、扭、剪切弹性空间功能。采用节点刚架单元替代节点桁架单元作“等代变换”处理，可节省2/3连接单元，使计算模型大为优化，方便实现模拟“仿真”建模[2]。

4.3 应力刚化

索结构计算存在“应力刚化”问题，采用高强度钢丝索单元计算，需要作“应力刚化”处理，即成桥中实现预应力张拉。采用“名义弹性模量”E=4×1.95=7.80MPa经验值计算，可避免结构矩阵单元坐标变化，只作一次线性计算[3]。

4.4 算法问题

“张力索桁-拱组合桥”结构复杂，关键是计算方法。采用实用工程数值模拟“仿真”建模大数据计算，多种程序都可计算，程序是解决算法问题[4]。程序使用MATLAB数学软件功能：矩阵、图形、计算等功能，起到人工智能作用。计算需要对有限元技术作开发，利用图形工作站计算，这是在长期学习和实践中领悟获得的经验。“迈达斯”程序界面好，作基本节段建模后，再作修改、复制建模很方便。横、竖方向风力作用，可简化为横、竖集中力作节点加载，使抗风作简化计算方便。计算结果数据清楚、全面，云图显示直观，便于作桥型方案比较计算，是研究新型、组合结构的科学方法。

5 算例

5.1 结构概况

“张力索桁-拱组合桥”既适合大和特大跨径使用，也适合连续多跨使用。采用特大跨径L=1000m作代表。取L=1000m，张力索桁拉索垂/跨比F/L=1/10，F=100m。拱肋桁架矢/跨比F/L=1/12，F=83.33m。拱脚在桥面下4m，塔架总高度控制在H=200m内，拱肋顶距离张力索桁拉索最低点约10m，以加大跨中段索桁的刚度。

桥面净宽度B=25m，采用热轧H型钢作纵、横格梁焊接，形成正交异性板钢桥面，型钢生产加工简便、经济合理，纵梁比采用槽形肋简单。钢桥面板厚度δ=14mm，加铺玻纤网和厚度h=2.5cm环氧-煤焦油混凝土作复合黏结层，再加铺5cm沥青混凝土铺装层。边纵梁高h=90cm，横梁上弦杆高h=40cm，便于相互连接，再加设外悬吊杆钢管混凝土牛腿。横梁桁架内力大，采用预应力钢管桁架，加设风撑钢管桁架保持稳定，桥面架设后在下弦钢管张拉预应力和压浆处理。纵梁H型钢h=25cm，间距L=33.3cm，安设在横梁桁架上弦杆顶面，横梁顶纵梁间空腹部填塞钢筋混凝土，以加强横梁桁架刚度和与桥面板组合形成板桁结构。张力索桁拉索、吊杆采用镀锌平行钢丝或钢绞线，作耐久性防护。

5.2 模拟仿真建模

5.2.1 张力索桁架

“迈达斯”程序具有抛物线建模功能，张力拉索借助二次抛物线型建模方便。参照“张力索桁吊桥”斜拉索吊杆分组划分形式，作拱肋桁架节点斜拉索吊杆分组划分，确定吊点位置，修改抛物线形成折线形拉索。实际在吊点处局部段的索夹排列形成微曲线。张力拉索折线，在结构架设加载最终成型。张力索桁以索节点划分索单元，按“名义弹性模量”作计算，按使用应力作调整、控制，修改单元特性作应力调整计算简便。

5.2.2 拱肋桁架

拱肋桁架上、下弦杆轴线，可借助抛物线型自动建模。拱肋桁架钢管φ600mm×12mm，为等高度桁架。拱肋桁架腹杆φ300mm×10mm，作等间距设置，作平面放线分段放样焊接加工，再作翻立组装焊接加工。在三角形式梯形上弦腹杆中心加设节点，作张力拉索和桥面吊杆连接节点，便于采用、设置变径喇叭形钢管吊杆锚头。拱肋桁架应按使用应力作调整、控制，修改单元特性作应力调整计算简便。

5.2.3 横撑桁架

拱肋横撑为等高度桁架，三角形横断面简单。横撑桁架腹杆采用三角形桁架。拱肋桁架与张力索桁相组合的横向稳定性好，横撑桁架起加强横向稳定作用。

5.2.4 正交异性桥面板

正交异性复合钢桥面板使刚度加强，仅作钢桥面板控制计算，对复合钢桥面板另作局部模拟“仿真”建模验算。正交异性钢桥面板按纵、横矩形□25×33.3cm划分作模拟“仿真”建模，使整体结构模拟“仿真”建模计算规模大小适当。正交异性桥面钢板与纵梁、边纵梁、横梁组合为整体板桁结构，但各自形心坐标高度不同，需要采用型钢L100×100×10mm梁单元作组合连接，起空间功能“等代变换”作用。

5.2.5 预应力横梁桁架

预应力横梁钢管桁架总高度H=3m，两端局部设腹板加强，上弦杆H型钢h=400mm，下弦杆和三角形腹杆为镀锌方钢管□200×200×6mm，加焊节点板连接，设4×7股钢绞线预应力索，作整体模拟“仿真”建模计算。边纵梁外侧加焊悬臂吊杆牛腿钢管混凝土，成桥横梁桁架作预应力张拉和压浆处理方便。

5.2.6 桥面系组合

桥面纵梁、横梁上弦杆相互组合成整体，需要采用型钢H250×10mm梁单元作组合连接，起整体功能“等代变换”作用。

5.2.7 抗风斜拉索

从塔顶索鞍加设抗风斜拉索，保持拱肋桁架抗扭转和稳定，也保持桥面系抗风稳定，起安全保险作用。

5.3 计算结果

5.3.1 建模

按数值模拟“仿真”建模，按线荷载和车轮压力作模拟“仿真”加载比较，建模顺利。

5.3.2 计算

内力计算顺利，因悬吊桥面系参与整体计算，时间达5h，是桥面系索网吊杆使计算工作量加大。分别作恒、活载和风力计算，以便作内力比较。计算内力按应力控制安全，尚未作应力优化。示例图形受GPU显存影响，仅列出部分结果。

5.3.3 加载

采用四车道公路一级线荷载q=10.5kN/m作全跨加载，将线荷载转化为等代均布节点荷载处理，以方便加载。组合结构跨中段刚度较弱，在跨中作四车道、30t挂车，作总重2 160t车轮分布加载比较，加载真实和麻烦。风力集中在桥面吊点作横向4t、竖向0.8t加载，横撑桁架作横向16t加载。

5.3.4 变形

成桥恒载变形微小，证明拉索力已经“应力刚化”，结构按弹性变形计算。跨中2种活载变形都小δ=1.5cm，两端刚度大。证明“张力索桁-拱组合桥”拱肋技术先进，比“张力索桁吊桥”和斜拉桥刚度都大。风对跨中段的横向变形明显(图9)。

5.3.5 内力

恒载内力大，活载内力小，风载内力小，两侧内力相差明显，证明结构受扭，两端斜拉索明显起抗扭作用。拱肋压力不大，主要是拉索力承载拉力大(图3～图6)。

图3 恒载Fx

图4 活载Fx

图5 恒载Mx

图6 活载Mx

5.3.6 应力

应力大小与内力规侓相对应，桥两侧组合应力相差明显，斜拉索抗扭作用大(图7、图8)。

图7 恒载Cb(max)

图8 活载Cb(max)

5.3.7 风力

网状吊杆刚度大，桥面板桁组合结构抗风稳定性好，跨中横向变形：桥面δy=1.78m，拱肋桁架δy=0.71m(图9、图10)。迎风面拉索力大，桥面板桁组合结构扭矩大，组合应力不大。

图9 横向变形Dy

图10 扭矩Mx

6 施工

“张力索桁-拱组合桥”与“张力索桁吊桥”施工技术相似，主要是准确计算、扣除内力计算弹性延伸索长。先架设拉索，再吊装拱肋、成拱，后吊装桥面，最后安装斜拉索。

7 结论

“张力索桁-拱组合桥”是“张力索桁”与桁架肋拱作组合应用，充分发挥二者优势，克服拱桥自重大和施工困难。拉索承载能力巨大，拱桥刚度强大，形体壮观和曲线美，有“似拱非拱”特性。将吊桥、斜拉桥和拱桥技术相结合，形成“三合一”组合技术优势，组合桥型比单一桥型技术先进。吊桥折线拉索承重，斜拉索形成索桁保持稳定，拱肋强大刚度抵抗活载变形，分工、结合、互助效果好。拱肋桁架抗弯刚度很大，网状吊杆保持桥面稳定。拉索与拱肋形成整体，材料强度、结构刚度和稳定相互配合协调，承重内力以拉索为主，拱肋受压为辅。拱肋桁架压力小，无明显弹性压缩变形，活载变形很小。这是组合结构的优点，比斜拉桥和“张力索桁吊桥”受力合理，变形更小，跨径可超越斜拉桥，刚度大特点适合作载重大铁路和稳定性好“高铁”桥梁使用。