斜跨異型拱橋的設計與分析

王會利 秦泗鳳 張 哲 楊 光

（大連理工大學橋梁工程研究所1） 大連 116023）

（大連大學材料破壞力學數值試驗研究中心2） 大連 116022）

（林同棪國際（重慶）工程咨詢有限公司3） 重慶 401121）

0 引 言

隨著交通事業的發展，人們對橋梁建筑提出了更高的要求．橋梁已不單純作為交通線上重要的工程實體，而且亦作為一種空間藝術結構物存在于社會之中，特別是對橋梁美學日益重視．異型拱橋的斜吊桿和異型拱圈兩者組成獨特的外形，與一般靜態效果的拱橋相比，能產生強烈的動勢效果和優美的韻律感，易與周圍景觀相協調［1－3］．目前國內外已建多座異型拱橋，包括安陽市東風橋、哈爾濱動物園1＃橋、哈爾濱寬城橋、沈陽新開河橋、天津大沽橋、廣西南寧大橋、巴西的儒塞利諾－庫比契克總統橋（President Juscelino Kubiteschek Bridge In Brazil）等．一些學者也對異型拱橋展開相關研究，李喬［4］分析了結構參數對異型拱橋結構內力的影響，葛蘇閩［5］用B樣條函數求解異型拱橋的合理拱軸線，楊光［6］用桁架近似數值解法分析異型拱橋的合理拱軸線，于洋［7］用能量最小原理法分析異型拱橋的合理拱軸線．關于異型拱橋的相關資料文獻較少，還需進一步深入研究．

張家口清水河通泰大橋主橋主跨190m，主梁平面位于半徑600m曲線上，拱肋斜跨主梁，形成平面和立體2條相互纏繞的優美曲線，見圖1．國外同樣橋型結構的巴西的儒塞利諾－庫比契克總統橋被評為世界上最美的橋梁之一，通泰橋型在國內尚屬首例．本文就通泰大橋的結構設計與分析展開論述，為同類型異型拱橋的設計與分析提供參考．

圖1 建成后的通泰大橋

1 結構概況

張家口市通泰大橋斜跨清水河，為中承式鋼拱橋．主梁跨徑190m，橋面寬度34．144m．位于R＝600m的平曲線段，拱肋跨徑180m，矢跨比0．345 1．拱肋與主梁斜交布置，見圖2．

圖2 通泰大橋布置示意圖（單位：cm）

2 主要構件設計

2.1 拱肋

張家口地區風荷載較大，所以拱肋要有足夠的橫橋向剛度．拱肋為單箱單室截面，寬7．04m，高3．8m，板厚26mm，在距拱腳10m水平距離范圍內加厚至30mm．采用T形加勁肋，高30 cm，高20cm，厚度16mm，全橋連續．拱肋上橫隔板水平間距3m，有吊點處橫隔板厚30mm，無吊點處橫隔板厚12mm．拱肋選用Q345低合金鋼．拱肋斷面見圖3．

圖3 拱肋斷面（單位：mm）

2.2 主梁

主梁為扁平鋼箱梁，梁高3m（中心線），頂板厚為16mm，底板厚為16mm，邊腹板為30mm．鋼箱梁內設置四道中縱腹板，其距鋼箱梁中心線間距為6m和10．8m．鋼箱梁橫隔板標準間距為3m，中縱腹板和橫隔板上設有人孔．選用Q345低合金鋼．主梁斷面見圖4．

圖4 主梁斷面（單位：mm）

2.3 吊索

全橋吊索共28根，長短不同，方向各異．吊索采用109f7、121f7和139f7mm高強度鍍鋅鋼絲成品索，標準強度為1 670MPa，雙層PE保護層，冷鑄錨錨固體系．

為保護吊索，除采用PE保護層外，在橋面以上2．5m高度內設不銹鋼管，在與主梁結合處設防水罩，上、下錨頭采用防腐油脂處理，并設置減震器，在索管內注入發泡材料．

2.4 錨箱

通泰橋為空間索面，吊索角度變化沒有規律，因此每個錨箱都不同．為了避免疲勞破壞，梁上錨箱用高強螺栓連接在邊腹板外側，其構造形式類似于一般鋼斜拉橋的錨箱［8］．拱上錨箱焊接在橫隔板和底板上，將錨墊板支撐在大隔板和小隔板之間，保證索力能通過錨墊板傳遞到拱肋．錨箱示意圖見圖5．

圖5 錨箱示意圖

3 靜力計算分析

通泰大橋不同于常規的中承式拱橋，由于拱肋與主梁斜交布置，結構為空間受力體系，主梁、拱肋截面同時受到縱橋向和橫橋向的外力作用，所以要關注拱肋和主梁四個角點的應力情況．圖6給出拱肋截面和主梁截面各應力點的位置．荷載工況包括：恒載、汽車荷載（公路I級）、系統升降溫、基礎沉降．圖7，圖8給出在最不利荷載組合下各應力點的應力包絡圖（壓應力為負）．

圖6 截面應力點

圖7 拱肋應力

圖8 主梁應力

從應力計算結果可以看出，拱肋最大應力約為175MPa，發生在拱腳附近，主要由橫向荷載引起．而主梁應力最大應力約為70MPa，發生在1／4跨附近，主梁應力相對較小．拱肋和主梁應力均小于Q345鋼材的應力允許值，因此結構應力滿足要求．通泰大橋屬于“強拱弱梁”型結構，主要荷載由拱肋承擔．

4 整體穩定性分析

拱橋的整體穩定性是不容忽視的，斜跨拱橋造型奇特，所以其穩定性是尤為重要的［9－11］．

一般情況下結構的整體剛度矩陣K＝Ke＋Kσ，式中：Ke為結構彈性剛度矩陣，Kσ為結構幾何剛度矩陣，則結構的平衡方程為［12］

式中：δ為結構的位移向量；F為結構的荷載向量．

設臨界力為λF，對應的幾何剛度為λKσ（Ke不隨外荷載發生變化），所以

由于為臨界狀態，所以δ→δ＋Δδ時，結構仍保持平衡，即

由式（2），（3）得

式（4）中Δδ為任意解，則

求解控制方程（5），可以得到特征值λ，即結構的第一類穩定系數．

圖9為通泰大橋從裸拱到成橋各階段的穩定系數．計算分析中考慮風荷載作用．分析發現，裸拱狀態穩定系數最大，達到67．7．結構的穩定系數隨著吊索的張拉逐步減小，成橋狀態的穩定系數為11．3．分析結果表明，各階段的穩定性均滿足要求，各階段的失穩模態均為橫橋向失穩．這主要是因為吊索索力在橫橋向產生不平衡分力，隨著吊索的張拉，拱肋上不平衡力逐漸增大，再加上橫橋向的風荷載作用，所以結構失穩模態是橫橋向的，并且隨著吊索的張拉，其穩定系數逐漸減小．

圖9 各施工階段結構穩定系數

5 結 論

1）異型拱橋以其獨特別致的外形，易與周圍環境協調，特別適合于城市橋梁，往往得到令人耳目一新的效果．

2）此類斜跨式異型拱橋，橫橋向荷載是強度和穩定性的控制荷載．因此，在設計過程中要關注吊索不平衡水平分力和橫向風荷載的作用．

［1］李生智，王瑋瑤，鄔妙年．異型拱橋［M］．北京：人民交通出版社，1996．

［2］王瑋瑤，李生智，陳科昌．異型系桿拱橋［J］．中國公路學報，1996（1）：55－58．

［3］張 哲，萬其柏．斜拉橋與其他橋型的協作研究［J］．武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2008，32（2）：214－217．

［4］李 喬，李 麗．異型拱橋結構內力分析［J］．公路交通科技，2001（1）：40－43．

［5］葛蘇閩，張 松，馬志華，等．修正拱軸線的異型拱橋受力性能研究［J］．公路交通科技：應用技術版，2006（10）：81－85．

［6］楊 光．異型拱橋的拱軸線優化和穩定分析［D］．大連：大連理工大學，2008．

［7］于 洋．斜跨拱橋合理成橋索力的優化方法［D］．大連：大連理工大學，2009．

［8］周孟波．斜拉橋手冊［M］．北京：人民交通出版社，2004．

［9］黃 僑，王宗林，李廣義，等．異型拱結構的設計方法［J］．東北公路，1994（3）：32－36．

［10］王向陽，鐘 佩，高永華，等．鋼管混凝土箱型拱橋空間結構分析研究［J］．武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2008，32（3）：558－560．

［11］GUIXIA N，PENG Z L，YAN L Z，et al．Design and stability analysis of a special concrete－filled steel tubular arch bridge［C］／／Fourth International Conference on Advances in Steel Structures，Oxford：Elsevier Science Ltd，2005：1639－1644．

［12］項海帆．高等橋梁結構理論［M］．北京：人民交通出版社，2001．