連續(xù)梁拱組合橋梁設計

張學同

新疆路橋建設集團有限公司 新疆 烏魯木齊 830000

引言

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟的不斷發(fā)展，連續(xù)梁橋已無法滿足當前對大跨徑的需求。作為從連續(xù)梁橋發(fā)展而來的連續(xù)梁拱組合橋，相比于傳統(tǒng)拱橋，連續(xù)梁拱組合體系在受力上避免了拱端的巨大推力，并且使得橋梁所承受的彎矩和剪力更加合理，充分利用混凝土以及預應力筋，具有較大的經(jīng)濟優(yōu)勢。

1 連續(xù)梁拱組合體系橋失跨比分析

拱橋的拱肋，系梁內(nèi)力值以及施工方法等均受到失跨比的影響。當失跨比減小時，一般拱橋的水平和垂直受力的比值將會隨著增加，反之則比值降低。同時，由混凝土收縮徐變以及溫度等變化導致的附加應力也隨著失跨比的降低而增大。因此，在進行設計時應綜合對比失跨比的取值，以合理選取。

為使分析結(jié)果建立在同等條件之下，本文在系梁和拱肋的計算過程中作出了如下假定：

（1）相同的截面尺寸，配筋以及橋面布置；相同的荷載標準以及布置吊桿的間距相同；

（2）均采用彈性支承的方法進行連續(xù)梁橫向荷載分布的計算；

（3）均按照連續(xù)梁以滑動支座作為邊支座，以鉸支座及滑動支座作為中墩支座的方式作為計算圖示；

（4）恒載以及活載的計算均按照一次落架計算；

為研究連續(xù)梁拱組合橋梁與失跨比之間的關系，本文將研究對象的計算跨徑選取為3跨20+60+20m，以失跨比作為變化參數(shù)，比較連續(xù)梁拱橋在恒載以及溫度等荷載作用時結(jié)構(gòu)的內(nèi)力所受失跨比的影響。

1.1 恒載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力

表1 失跨比不同時跨中梁，拱的內(nèi)力

從表1可知，連續(xù)梁拱組合橋在恒載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力所受失跨比的影響較大。梁拱的張拉力在失跨比降低時增大。其中，失跨比降低的數(shù)值同系梁軸力以及拱肋的水平推力變化的幅度值相同，其變化幅度為92%；但隨著失跨比的降低，系梁以及拱肋的彎矩變化呈現(xiàn)出相反的情況，系梁的彎矩變化情況為先上升后下降，拱肋的彎矩變化情況為先下降后上升在下降，為非線性變化。導致該種現(xiàn)象的原因是在大失跨比的條件下，若跨徑較小，將會恒載作用下導致拱肋合理拱軸線與拋物線有較大的偏離，而當失跨比降低時，拱肋合理拱軸線和拋物線的偏離將會有所降低，但降低到一定值時，又開始產(chǎn)生偏離。

1.2 活載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力

將1/4跨徑下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力值設定為1，并將所得結(jié)果繪制如圖1所示。

圖1 活載作用下隨失跨比變化時的結(jié)構(gòu)內(nèi)力

由圖1可知，失跨比的變化對活載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力具有較大的影響。其中，隨著失跨比的變化，活載作用下的軸力變化規(guī)律同恒載作用下軸力的變化規(guī)律相同，只是數(shù)值稍大；而在失跨比降低時，系梁的彎矩呈現(xiàn)出的變化規(guī)律為先下降后上升，拱肋彎矩的變化規(guī)律則是持續(xù)降低。

2 連續(xù)梁拱組合體系橋剛度比分析

連續(xù)梁拱組合體系水平力的平衡主要是依靠縱梁來實現(xiàn)的。在拱腳處梁和拱以剛結(jié)的方式放置于支座上。該種方式可使荷載由梁拱一起承擔，并且可降低對墩臺的要求，在一定程度上節(jié)約了材料。

在連續(xù)梁拱組合體系中，其剛度可分為兩部分，一是拱肋的抗彎剛度，主要是指橋拱的剛度，二是梁的剛度，主要是指系梁以及橋梁共同作用的剛度。根據(jù)兩種剛度的相對值大小又可細分為三種，分別是剛梁剛拱或柔拱，以及柔梁剛拱。

剛梁柔拱指的是拱肋的抗彎剛度與系梁的抗彎剛度之比小于1/80的時候。在該種情況下，認為梁的抗彎剛度遠大于拱的，因此認為在該種情況下的系梁承擔了全部彎矩，而拱肋僅受到軸線壓力的作用；

柔梁剛拱指的是拱肋的抗彎剛度與系梁的抗彎剛度之比大于80的時候。在該種情況下，認為拱的抗彎剛度遠大于梁的，既拱承擔了全部彎矩，而梁僅受到軸向力的作用。

剛梁剛拱指的是拱肋的抗彎剛度與系梁的抗彎剛度在1/80和80之間的時候。在該種情況下，認為荷載由拱和梁共同承擔，根據(jù)梁拱剛度分擔彎矩。

研究對象的選取同上，通過改變梁拱抗彎剛度的比值，已分析截面面積相同時梁拱的內(nèi)力情況。

2.1 梁拱在不同抗彎剛度比時恒載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力

表2 連續(xù)梁拱組合體系橋在恒載作用下時不同剛度比對內(nèi)力的影響

由表2可知，在保持梁拱截面面積一定時，結(jié)構(gòu)軸向力在改變梁拱剛度比時所受的影響較小，剛度比的變化僅影響了梁拱彎矩的分配。隨著梁拱剛度比的上升，系梁以及拱肋的彎矩均表現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，但在剛度比變化對彎矩的影響中，拱肋所受影響大于系梁。當梁拱剛度比在0.5-1的范圍內(nèi)時，拱肋的彎矩變化幅度最大；當梁拱剛度比在1-3的范圍內(nèi)時，系梁的彎矩有最大的變化速率，在該區(qū)間外系梁的彎矩變化有所降低，這說明了在該區(qū)間內(nèi)，系梁的彎矩所受剛度比變化的影響最大。

2.2 梁拱在不同抗彎剛度比時恒載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力

將剛度比為1時的結(jié)構(gòu)能力基數(shù)定為1，所得結(jié)果如圖2所示。

圖2 活載作用下不同剛度比對結(jié)構(gòu)彎矩的影響

由于在活載作用下，剛度比的變化對結(jié)構(gòu)的軸向力幾乎無影響，因此，本文僅列出活載作用下不同剛度比對結(jié)構(gòu)彎矩的影響，如上圖所示。從圖中可知，不同剛度比對梁拱彎矩的影響主要是彎矩的分配，隨著整體剛度中拱肋剛度所在比例的增加，其所承受的彎矩也隨之增加。與恒載作用剛度比變化對彎矩的影響不同的是，隨著剛度比的變化，系梁彎矩所受到的影響程度小于拱肋。當剛度比在1以上時，比起剛度比比1小的情況，梁拱彎矩差值較大，且在剛度比在區(qū)間1-2時，拱肋的彎矩具有最大的變化曲率。

同時改變面積以及抗彎慣性矩時結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化情況

不同剛度比時恒載作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力如表3所示。

表3 恒載作用時不同剛度比對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響

從上表可看出，由于拱梁的自重隨著面積以及抗彎慣性矩的變化而變化，因此隨著剛度比的變化梁拱軸向力也隨著改變，并同剛度比的變化呈相同的線性變化。由于梁拱的面積變化，使梁拱彎矩并不隨著剛度比的上升而下降，對于梁和拱都存在有一個較優(yōu)的取值：當剛度比在2時，系梁的彎矩有最小值，并且系梁彎矩的變化速率在剛度比為1/4-1區(qū)間時最大；而拱肋跨中彎矩的最小值出現(xiàn)在剛度比為1時，并且其彎矩的變化速率在剛度比為0.5-3區(qū)間內(nèi)。從表中可知，在剛度比為1的情況下，梁拱組合橋具有最大的受力狀態(tài)，當剛度比比1小時，隨著剛度比的降低，梁的彎矩不斷上升，因此，剛度比較為合理的區(qū)間為0.5-2。

3 結(jié)語

通過上述分析，本文主要得出下列結(jié)論：

（1）連續(xù)梁拱組合體系橋梁在恒載以及活載作用時的結(jié)構(gòu)能力，受失跨比影響最大的為軸向力。

（2）不管是恒載還是活載的作用下，失跨比對結(jié)構(gòu)軸向力的影響規(guī)律均相同，表現(xiàn)為隨著失跨比的降低而線性上升。對于橋梁結(jié)構(gòu)的彎矩則表現(xiàn)為非線性變化。

（3）當梁拱面積保持不變時，剛度比的變化對恒載作用下的結(jié)構(gòu)軸向力影響較小，主要影響梁拱彎矩的分配。當同時改變梁拱截面面積以及抗彎慣性矩時，隨著剛度比的減小梁拱軸線上不斷上升，系梁彎矩所受剛度比變化的影響較拱肋大。

（4）當剛度比取值在區(qū)間2-0.5之間時，梁拱的彎矩可以得到較為均勻的分配，受力較為合理，構(gòu)造處理也較為方便。