合肥工业大学建筑设计研究院 安徽合肥 230001
摘要：随着社会的发展， 人们对桥梁景观的要求逐渐提升，而斜靠式桥梁在当前交通工程中有着十分广泛的应用，基于此，本文以实际案例为例进行分析，；论述了斜靠式道路桥梁应力分析。
关键词：斜靠式；道桥；设计；应力
引言
随着城市化进程的不断推进城市道路的建设标准越来越高道路越来越宽。下承式钢管混凝土斜靠式系杆拱桥因为其较为复杂的空间结构,以及施工工艺较复杂在国内建设尚未普及胆由于其能更好的适应市政宽幅道路所以着很好的适用前景。本文通过针对此类桥型设计过程中需要重点考虑的矢跨比、斜拱倾角、以及吊杆间距等关键因素的对比分析为此类桥型的设计理念进一步建设发展提供借鉴。
1、工程概况
某斜靠式道路桥梁城市主干道上贯通南北的一个枢纽。所跨越的通启运河为五级航道，最低通航水位1.14m，通航净宽45m，净高5m。作为南通开发区标志性建筑，方案设计时主桥采用有观景平台的斜靠下承式系杆拱钢构桥。主桥上部采用斜靠拱式系杆拱结构，主桥跨径为108m，验算跨径为106m，桥梁总宽42～52m。主桥为主、斜拱水平力自平衡体系，主拱肋及斜拱肋均采用全焊矩形钢箱结构，主拱拱圈采用二次抛物线，验算跨径为106m，矢高为23m，矢跨比为1/4．6。主拱圈采用2050mm×2000mm正方形截面，顶底板厚度28～32mm，腹板厚度28～32mm，拱圈内部每边设置4道I型纵向加劲肋。拱轴线均采用二次抛物线。主拱矢跨比位为1/4，内灌注C40补偿收缩混凝土；斜拱矢跨比位为1/3.873。吊杆：主拱吊杆设计选用成品的高强钢丝索，间距为3m，锚固设计为带球面支座的冷铸墩头锚，并在上下端设置防震圈。斜拱吊索设计选用成品的不锈钢钢丝绳，锚固设计为热铸锚。桥面系：桥面系由钢梁和混凝土面板组成。主系梁为箱形断面，宽2m，高2.3m。
2、结构设计
斜拱拱圈采用二次抛物线，平面内验算跨径为106m，斜面内矢高为23．325m，矢跨比为1/4．56。主、斜拱在竖直面内夹角为19．41°，斜拱轴线比主拱轴线低1m。斜拱圈采用1450mm×1450mm矩形截面，顶底板厚20～24mm，腹板厚度20～24mm，拱圈内部每边各设置2道I型纵向加劲肋。为保持桥梁侧面视角的美观性，斜拱拱肋向桥面以下继续延伸，直至落地，并设置拱角基础。主、斜拱吊索均采用平行高强钢丝成品索，吊索纵桥向间距为3m。桥面系由钢梁和混凝土桥面板组成。钢梁由主拱系梁、斜拱系梁、内外端横梁、内外中横梁、挑梁、纵梁等组成。主拱系梁采用箱形断面，宽2m，高2．5m，全桥共两根，中心线间距为26m。斜拱系梁采用箱梁断面，宽1．66m，中心高1.55m，全桥共两根，中心线间距为46．5m。斜拱系梁与斜拱连接部位内部填充C40补偿收缩混凝土。全桥共设置36道横梁，其中端横梁2道采用箱形断面，中横梁34道，采用工字型断面。纵梁有5道内纵梁、4道外纵梁、2道平台纵梁、2道端纵梁，均为工字型断面。钢筋混凝土桥面板，分为预制和局部现浇两种。机动车道桥面板厚度为24cm，非机动车道、人行道及观景平台桥面板厚度为18cm。在横梁、挑梁、斜系梁和主要纵梁上设置有剪力键，通过现浇湿接缝与钢梁形成结合梁。
3.2、斜拱倾角的影响
斜靠式拱桥的拱肋是以受压为主的空间结构构件，稳定问题是各环节都需要重视的问题。因此，需要研究拱肋合适的倾角值设置问题，保证由主拱肋和稳定拱肋组成的组合结构的平衡稳定，使得拱顶不发生较大的横向位移。通过改变斜拱倾角保持斜拱拱脚位置不变，通过有限元分析得出斜拱倾角越大其面外刚度越大，稳定系数越高，而且随着倾角的增加，失稳模态也将发生改变。因此，斜靠式拱桥的主拱肋和斜拱肋间的合适倾角是影响斜靠式拱桥设计质量的重要因素。如果主斜拱肋间倾角设置不合理，由于吊杆保向力的作用，组合拱肋将向受力较小侧倾斜，致使拱顶发生较大的横向位移，影响桥梁的使用功能，本桥斜拱倾角为24.492o规改变斜拱倾角保持斜拱拱脚位置不变倾斜角度分别依次取27o,24o,21o,18o,17o不同。
与斜拱倾角24o比较，轴力值变化幅度最大的为倾角17o斜拱跨中轴力的5.6%而弯矩值变化幅度最大的为倾角17主拱跨中弯矩的6.4%随着斜拱倾角的减小主拱肋、纵梁和斜拱肋跨中内力值均增大但变化幅度不大斜拱倾角的减小对受力不利但影响不太大。
4、静力计算
4.1、结构总体静力验算
采用MIDAS2015程序建立空间杆系模型，以理论轴线为基准进行结构离散。具体分析中，吊索采用桁架单元，主拱、斜拱、系杆、纵横梁、挑梁等采用梁单元，按实际结构的施工过程进行模拟，全桥共划分为2007个单元，1333个节点。
4.2、施工过程模拟
主桥上部结构采用在岸上拼装、浮拖过河的安装方案，根据设计图纸提供施工方案，验算模型施工过程模拟如下:①拼装主拱、主系梁、斜拱、斜系梁、拱顶横梁、外纵梁1～3、外端横梁、外中梁、挑梁等构件，第一次张拉吊索，拖拉施工就位;②安装内端横梁、内中梁、内纵梁等构件，结构形成整体框架;③安装混凝土桥面板;④第二次张拉吊索;⑤施工桥面铺装、护栏等附属构件，主桥施工完毕。(3)纵向计算结果运营阶段下主拱拱肋最大压应力为126．4MPa，主拱系杆最大拉应力为154MPa，最大值均发生在拱角位置，主拱拱肋、系杆最不利应力均小于Q345钢材容许应力245MPa，满足规范要求且有足够的富余。
另外，运营阶段下斜拱拱肋最大压应力为88.3MPa，斜拱系杆最大拉应力为110．9MPa，最大值均发生在拱角位置，斜拱拱肋、系杆最不利应力均小于Q345钢材容许应力245MPa，满足规范要求且有足够的富余。另外，还对施工阶段以及成桥状态分别进行了验算，应力均满足规范要求，且有足够的富裕。
4.3、端横梁计算结果
全桥共设置2道端横梁，端横梁梁体为箱形断面，纵桥向宽2．0m，内端横梁梁高为1．6～1.840m，外端横梁梁高为1．472～1．560m，沿桥面横坡变化。
基本组合作用下端横梁最大拉应力为107MPa，最大压应力为84．3MPa，最大值均发生在主拱系杆与横梁相交位置，端横梁最不利应力小于Q345钢材容许应力245MPa，满足规范要求且有足够的富余。
4.4、中横梁计算结果
全桥共设置34道中横梁，每道中横梁由内中横梁、外中横梁、挑梁组成。中横梁为“工”字形断面，上翼缘宽0．55m，下翼缘宽0．45m，内中横梁高度1．600～1．840m，外中横梁高度1．010～1．538m。挑梁高度0．60～1．610m。基本组合作用下中横梁最大拉应力为114.9MPa，最大压应力为107．3MPa，最大值均发生在主拱系杆与横梁相交位置，中横梁最不利应力小于Q345钢材容许应力245MPa，满足规范要求且有足够的富余。
4.5、施工阶段拱肋变形
在桥梁的施工过程中,由于吊杆及系杆梁预应力筋的作用,使得拱肋的位移变化比较复杂:主拱在拱顶和1/4处,随着施工的进程,其变位趋势大体相同,系杆梁预应力的存在可以有效地抑制拱肋的竖向和横向变形,拱肋下部支架拆除后,跨中最大竖向位移27.2mm,横向最大位移89.1mm;稳定拱的竖向位移变化趋势在拱顶和1/4处却不尽相同,拱顶处的变位趋势与主拱拱顶的变位趋势相似,这是由于主拱、稳定拱肋在拱顶处有横向联系梁连接,稳定拱的横向变形在拱顶和1/4处趋势均与主拱相近.桥梁各构件变形均在桥梁设计规范规定范围之内,满足规范要求.
5、结语
斜靠拱这样的空间拱梁组合体系桥梁，受力复杂，结构新颖，影响因素除了上述几点外尚有拱梁刚度比、横撑设置位置及数量等，限于篇幅本文不再单独叙述。随着此类桥型在市政项目的广泛推广运用，此类桥型运用将趋于广泛。以上几点影响因素的理论分析仅供参考，希望能为后续此类桥型的建设提供借鉴。
参考文献：
[1]姜自奇.斜靠式拱桥施工力学性能分析[D].郑州大学,2007.
[2]胡锋.斜靠式拱桥力学性能分析[D].郑州大学,2006.
[3]毛亚平.斜交斜靠式钢管混凝土拱桥静力特性研究[D].西南交通大学,2012.
[4]周伟.斜靠式拱桥有限元静力分析和参数分析[D].长沙理工大学,2012.
[5]郭太军,薛瑞杰.斜靠式钢箱拱桥力学性能分析[J].公路,2012,(03):66-69.
论文作者:贺莹
论文发表刊物:《防护工程》2017年第20期
论文发表时间:2017/12/20
标签：横梁论文; 倾角论文; 应力论文; 拱顶论文; 桥面论文; 拱桥论文; 拱圈论文; 《防护工程》2017年第20期论文;