大跨度中承式钢桁架拱桥初步设计的体系优化.pdf

1、第 3 2卷，第 6期 2 0 0 7年 1 2月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 2No 6 De c，2 0 0 7 大跨度 中承式钢桁架拱桥初步设计 的体 系优化 程斌，吴斌 暄，庄冬 利，肖汝诚(同济大学 桥梁工程系，上海2 0 0 0 9 2)摘要 以天津 国泰桥 为工程 背景，重点介绍 了大跨度 中承式钢桁 架拱桥 在初 步设计 阶段进行 体系优化 的 关键问题，并就优化方案 的支承约束布置、构造措施以及施工方法进行 了探讨。对于 中承式 钢桁架拱桥，三跨连续 铰支的无推力体系比单跨固支的有推力体系在基础、拱肋、桥面系

2、等方面均具有力学性能优 势和经济优 势，是 中承 式钢桁架拱桥的首选。关键词 大跨度；中承式钢桁架拱桥；无推 力体系；支承约束布置；体系优化 中图分类号 U 4 4 8 2 2 4 文献标识码B 文章编号 1 0 0 2 1 2 0 5(2 0 0 7)0 6 0 l 1 0 0 5 S y s t e m Op t i mi z a t i o n o f Lo n g s pa n Ha l f-t h r o u g h S t e e l Tr u s s Ar c h Br i d g e i n Pr e l i mi n a r y De s i g n S t a g e CH

3、ENG Bi n，W U Bi nx uan，ZHUANG Dong l i，XI AO Ruc he ng (De p a r t me n t o f B r i d g e E n g i n e e r i n g，T o n g j i U n i v e r s i t y，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2，Ch i n a)Ke y w o r d s l o n g s p a n；h a l f-t h r o u g h s t e e l t r u s s a r c h b r i d g e；s y s t e m w i t h o u t

4、t h r u s t；s u p p o r t r e s t r i c t i o n l a y o ut；s y s t e mo p t i mi z a t i o n 钢桁架 拱桥 具 有 外形 美 观、刚度 大、稳 定 性 好、用钢量小、跨越能力较大等优点。已建和在建 的钢 桁架拱桥，国外主要有澳大利亚 的悉尼港湾桥(主 跨 5 0 3 m)、美 国 俄 勒 冈 州 的 弗 里 芒 特 桥(主 跨 3 8 3 m)以及韩 国首 尔 的傍 花 大 桥(主 跨 5 4 0 m)，国 内的 代表是 九 江 长 江 大桥(主跨 2 1 6 m)、万 州 长 江 大桥(主 跨 3 6

5、 0 m)和 重 庆 朝 天 门 大 桥(主 跨 5 5 2 m)。随着 桥 梁 向大 跨 度 方 向 的发 展，以及 人们对桥梁造型提出更高 的要求，钢桁架拱桥正逐 渐成 为 1 0 0 6 0 0 m跨 径范 围 内颇 具竞 争力 的桥 型。本 文 以天津 海河上 的首 座钢 桁架拱 桥 国泰桥 为 背景，重点介 绍该 类 桥 在 初步 设 计 阶 段 进行 体 系 优 化 的有关 问题。1 工程背景 国泰 桥为 城 市 主 干道，设 计 车道 数 为 双 向 四车 道，设计 车速 为 5 0 k m h，行 车 道设 计 荷 载 为 城 一A 级，非 机 动 车 道 及 人 行 道 人

6、群 荷 载 标 准 值 为 3 5 k N m 。设 计 通 航 水 位 1 5 m，通 航 等级 为 六 级。主桥标 准横 断 面 宽度 为 3 1 5 m。两 片 平 行 的 钢桁 架拱肋 横 向间距 为 2 4 5 m，采用 变高 度 N形 桁 架，高 度 由支 点 处 的 1 8 6 6 m 变 化 至 跨 中 的 4 m。拱 肋桁 架 上、下 弦拱 轴 线 采 用 不 同 的二 次 抛 物 线。主桥两端设置四个桥头堡，便于行人 通过堡 内楼梯 上 至 桥面人 行 道过河，或 上至 拱上 走道 观光游 览。拱肋之 间 用 K字 型纵 向 平联 连 接。拱 肋 弦杆 采 用箱 形 断面，

7、普通腹 杆 为工字 型 断面，拱脚 附近 的 加 强 腹杆 采 用 箱 形 断 面，纵 平 联 均 为 工 字 型 断 面。系 梁 为 箱 形 断 面，桥 面 采 用 正 交 异 性 钢 桥 面 板，7 5 mm厚 沥青 混凝 土铺 装，桥 面荷 载 通过 小 纵 梁 和 横 梁 传 至 系 梁。吊杆 采 用 单 根 P E护 层 高 强 钢 丝 索，全 桥 共 3 0根，吊 杆 间 距 8 m，吊 杆 长 度 5 4 2 3 m。主桥结 构 钢 材选 用 Q 3 4 5 q D，有 效 减 小 用 钢 量 和结构 自重，并保证结构低温时受 冲击荷载作用 的 抗 裂 安全 性。拱 上 走 道

8、等 辅 助 结 构 采 用 Q 2 3 5钢。除拱肋 的腹 杆 与弦杆、平 联与 弦杆、平联 与平 联之 间 通过高强螺栓连接外，拱肋杆件 和桥面系均采用焊 接 连接。国泰桥 初 步设 计 的原 方 案(方 案 一)由 国外 设 计 单位 提 出，主 桥结 构 采 用 桁 式拱 肋 钢 主梁 的单 跨 收稿 日期2 0 0 6 1 2 2 8 。作者简 介程斌(1 9 7 9 一)，男，江西横峰人，博士研究生，工程师，主要从事 大跨度桥 梁结构理论研究。维普资讯 http:/ 第 6 期 程斌，等：大跨 度 中承式钢桁架拱桥初步设计的体系优化 中承式 固端 拱桥。主拱 圈 单跨 跨 径 1 4

9、 8 m，矢 高 3 0 7 4 9 m，矢 跨 比 1 4 8 1。通 过 在 系梁 内设 置 水 平 拉索来平衡拱结构产生的水平推力。方案一体 系简 图见 图 1。图 1 方案一体 系简 图 在 对 方案 一 进行 深 入 分 析 和研 究 的 基础 上，提 出了优 化 方 案 二。方 案 二 充 分 保 留 了 原 方 案 的桥 型、造 型、景 观、功能，将 主桥 改 为三 跨 连续 结 构，桥 跨组 合 为 1 3 m+1 4 6 m+1 3 m，主 跨 拱 圈 矢 高 2 9 9 2 4 m，矢跨 比 1 4 8 8。拱肋下弦的约束形式 由 固端改为铰支，上 弦端部约束取消。取消系梁

10、 内拉 索，利用系梁 自身的抗拉能力来平衡拱结构 的水平 推力。方案二体系简图见图 2，全景图见图 3。量 而 萎：I 9：U toIb 8 l0 0 X 8 6 4 0 0 0 I 8 0 0 0 X 8 6 4 0 0 0 9 O P O l 1 3 o d o 1 4 6。0 0 0 1 3 o b o 图 2方案二体 系简图 2结构体 系比对 图 3国泰桥全 景图 2 1 支 承 约 束 原方案采用固端拱桥，为有推力体系，且局部杆 件弯矩很大，拱脚约束改为铰支后，不但释放 了拱肋 下弦的巨大弯矩，还使整体结构无论是恒载情况，还 是在活载和温度荷载作用下，都彻底变成 了无推力 体系，这对

11、软土地基上的拱桥来说是至关重要 的。2 2基 础 原 方 案 的桥 头 建筑 承 担对 拱 肋 上 弦 的 约束，其 基础与主桥基础合并设计，在桥头建筑偏 心荷载作 用 下，承 台基 础 内力分 布不 明确。在施 工 阶段，可通 过不断调整设置在系梁 内的水平拉索索力，使得拱 肋上弦锚 固于桥头建筑产生的拉力与拱肋下弦对拱 座基 础 的推力互 相 平 衡，这 样 能 保 证 基础 底 面在 恒 载状态下无推力，但成桥之后 的活载和温 度荷载都 会对 基础 产生很 大 的水 平推 力，且 该 水 平 推 力 和 拱 肋支点处 的竖 向反力都会对基 础底 面形 成弯矩作 用，这将 直接 导致基 础

12、工 程投 资 的大 幅增加，同时在 技术 上对 基础 的设计 也是 非 常不利 的。方案二将拱脚约束设为铰支后，彻底释放了所 有 工况 下 的 水平 推 力，基 础 仅 受 轴 向压 力，设 计 简 单、安 全，非 常 适合 天 津 地 区 的软 土 地基。同时，取 消 了桥 头建 筑对 拱 肋结 构 的约 束 之后，桥 头建 筑 基 础 与 主桥基 础分 离设 计，受 力 明确。对比计算表明，方案一承台混凝土用量为 7 6 4 5 m ，采用 5 5 m 长 的 1 8 m 直径 钻 孔灌 注桩 共 6 4根(混 凝土 用量 9 9 7 5 m )，而方 案 二 承 台混 凝土 用 量 仅

13、为 4 2 8 0 m ，节 约 4 4 ，且 采 用 5 3 m 和 5 4 m 长 的 1 5 m直 径钻 孔灌 注桩 各 3 2和 3 4根(混 凝 土用 量 7 0 9 8 m ，节 约 2 9 )。可见，方案 二 在 基础 造价 方 面的优 势是 非 常显著 的。2 3拱 肋 方 案二 在 主跨 基 本 不变 的情 况 下，将 单 跨 主桥 改为 三跨 连续结 构，同时 将 主 桥 结 构 和桥 梁 建筑 脱 离，使得拱肋结构的传力路径明确平顺，受力趋于合 理，轴力分布更加均匀，且拱肋杆件的局部弯矩也大 幅减小。经过 计 算 优 化，可 将 原 方案 拱 脚 处 由于 弯 矩过大而设

14、置的 3根加强下 弦杆件取消，按一般下 弦断面即可满足应力要求，但方案二中支点处 的拱 维普资讯 http:/ 1 1 2 公路工程 3 2卷 肋三 角 区由于受 力复杂，需将 相应 的腹 杆加 强，且 在 中支 点和边 支 点 之 间 需 增 设 1根 强 斜 撑。综 合 来 看，两 个方案 在拱肋 造 价上 区别不 大。2 4 系杆和 桥 面 系 原 方 案为 有 推力 体 系，为 了减 小 温 度效 应 的 影 响，桥面系在靠近拱肋下弦交点的部位设置 了 2道 伸缩缝，这样，只有通过在每侧系梁内设 置 4根 3 2 束的平行钢绞线水平拉索，以平衡拱结构的水平推 力。方 案二为 无推 力体

15、 系，温度 效应 可直 接释 放，主 桥桥 面系无需设置伸缩缝，可直接利用系梁的受拉 来发 挥 系杆的 作用。对 比计 算 表 明，在 不 改 变 系梁 断 面大小 的情 况下，方 案 二 充分 利 用 了系 梁 的抗 拉 强度，节 约 了水 平拉索 的造 价，更 具经 济优 势。原方案的桥面系伸缩缝设置在拱 一 梁节点的河 内侧，拱 一梁节 点之 间 的 系 梁搁 置 在 拱 梁 节点 的外 伸牛腿上。同时，水平拉索必须穿越伸缩缝，构造要 求高，施工难度大，且主桥伸缩缝的设置还影响了车 辆通行的平顺程度和舒适性。方案二则成功解决 了 这个难 题。2 5 桥 头建筑 桥头建筑是国泰桥整体造型的

16、点睛之笔，也是 人行 过河 的 通 道。原 方 案 采 用 了混 凝 土 剪 力 墙 结 构，为了平衡桥头建筑底部 由于拱肋上 弦水平拉力 产生 的弯矩，需 在 1 m 宽度 范 围 内 的混 凝 土 内 布 置 大量 预应力 钢束，同 时还 需 进 行 上 弦杆 件 在 桥 头建 筑内的抗拔设计和下弦杆件在桥头建筑内的抗弯锚 固设计。方案二保持桥头建筑外形不变，取消桥头建筑 对拱肋上弦的约束，并取消竖向预应力。同时，为实 现 桥头建 筑 与主桥 结 构 的脱 离，将 桥 面 以下 主 梁 宽 度(1 m)范 围 内 的剪 力 墙 取 消，桥 面 以上 则 改 为 内 空的混凝土悬挑结构，成桥后将桥 面以下的边跨结 构 用外装 饰覆 盖。两种方案的桥头建筑造型一致，但和原方案相 比，方案二 具有 无须 设 置 竖 向预应 力、自重 小、弦杆 锚固要求低等优点。两个 方案 的优缺 点汇 总见表 1。3结构力学性能 本工程总体静力分析采用同济大学桥梁工程系 B A P程序(平面模型)和韩国 MI D A S C i v i l 程序(空 间模型)，按一次落架成桥设计计算。空间模型 中，吊杆