1、异型系杆拱桥的理论与实践应用研究摘要：异型系杆拱桥由于其外形独特、造型新颖美观而成为城市桥梁优先考虑的桥型之一。针对异型拱的结构特性进行了探讨，对其受力特点展开分析，剖析了异型拱的受力特征，并以某异型拱桥为工程背景，对异型拱桥施工全过程进行受力分析。分析认为钢筋混凝土异型拱桥施工中不得出现裸拱状态；拱圈支架需按一定次序分区卸落，卸落过程中需按一定要求调整吊杆索力等。异型系杆拱桥施工过程的受力性能研究为合理施工状态的确定打下基础。 关键词：异型系杆拱桥；结构特征；受力分析；施工工艺 Abstract: Special-shaped tied-arch bridge because of its
2、unique appearance, novel and beautiful appearance and become the city bridge priority. This paper discusses the structural characteristics of special-shaped arch, analyzes its stress characteristics, analysis of the stress characteristics of the special-shaped arch, and a special-shaped arch bridge
3、as the engineering background, the stress analysis of the whole process of special-shaped arch bridge construction. Analysis shows that the construction of special-shaped reinforced concrete arch bridge may not appear naked arch; arch bracket according to a certain sequence division landed, unload a
4、ccording to certain requirements to adjust the suspender cable force in the course of. The construction process of special-shaped tied-arch force of performance and lay the foundation for determining the reasonable construction state. Keywords: special-shaped tied-arch bridge; structural characteris
5、tics; stress analysis; construction technology 中图分类号：U448.22+5 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012） 在桥梁发展史中占有一席之地的拱桥，迄今已走过了 2000 多年的发展历程。拱桥的起源众说纷纭，莫衷一是。拱桥的发展始终受力学、材料力学和施工技术的制约，并与历史进程的生产力发展水平息息相关。伴随着科学技术的迅猛发展，拱桥 以其形态美 、造价低 、承载力强而在世界范围内被广泛运用 ，长盛不衰。 异型系杆拱桥与一般拱桥不同，它是将拱与梁斜交布置、拱圈外倾或者是拱肋采用偏态的曲线，吊杆按同一斜率布置，这就使得异型拱桥在
6、比例方面产生了独特的动感效果。强烈的动势效果使异型拱桥在形态上产生了栩栩如生的生命感，令行人及游客激发出蓬勃向上的感觉并产生丰富的想象。 1 异型系杆拱桥的结构特征 异型系杆拱桥采用无推力的梁拱组合体系，属于系杆拱结构，具有系杆拱的结构特点。首先，桥面荷载通过横梁传给吊杆，再由吊杆传至主拱结构，最后经由系梁支座传力至下部结构；主拱的水平推力则由系梁承担，并不传给下部结构。其次，系梁和拱圈均有一定的刚度，共同承受荷载，亦即都承受轴向力和弯矩。 系梁和拱肋端部刚性连接，结构为外部静定、内部超静定结构。就异型拱桥本身而言，由于斜吊杆的水平分力作用，使得不仅在拱圈，而且在系梁与斜吊杆相接的部位，都将产
7、生轴力的突变现象。系梁轴力将“节节变大” ，其中拱头(较陡侧)处系梁轴力值较小，拱尾(较缓侧)处系梁轴力较大。当拱顶倾出桥跨以外时，系粱拱头处还将出现压力，这是异型拱桥受力的独特之处。 通过分析异型系杆拱桥结构的恒载内力图，可以看出异型拱桥既具备通常系杆拱桥拱脚承受负弯矩、拱顶承受正弯矩的规律，又有自己的特点，即由于斜吊杆的水平分力作用，各节段问有轴力突变现象，系梁的轴力呈现“节节变大”的趋势。 2 工程实例 某大桥主跨为 2 60m 的下承式钢筋混凝土异型系杆拱，计算跨径57m，矢跨比 14，桥宽 20.50m。设计荷载等级：汽-20，挂-100，人群荷载 3.5kNm 。拱肋采用工字形截面
8、，高 1.6m，顶板宽 1.2m，腹板厚0.6m，系梁为实体梯形截面的全预应力结构，梁高 1.55m，底宽 1.2m，顶宽 1.9m。两系梁间纵向每 2m 设置一道 025m 1.4m 的横梁。每跨吊杆 12 对，水平纵向间距 4m，采用 PES7-61 平行钢丝成品拉索，斜率为1.25。异性拱轴线方程： x=t-y2.5 y=t(1-t /L) 式中：t通过拱轴线上任意一点作斜吊杆轴线的平行线，其与 x 轴的交点到坐标原点的距离即为拱轴线上的一点(x，y)所对应的 t。 L计算跨径，L=57m; x，y 一拱轴线上任意一点的横坐标和纵坐标。 图 1 异型拱拱轴线 该桥最终确定的合理施工工序为
9、：墩台浇注系梁混凝土浇注系梁端横隔梁混凝土张拉系梁预应力浇注主拱圈混凝土安装横撑安装吊杆并进行初张拉卸落拱圈支架及两次局部调整吊杆索力浇注行车道横梁卸落系梁支架安装预制行车道板全面调整吊杆索力现浇防撞栏铺装行车道桥面第三次局部调整吊杆索力安装人行道栏杆，铺装人行道桥面。下面阐述异型系杆拱桥几个关键施工工序的力学特性。 3 异型系杆拱桥施工的力学特性 3.1 裸拱状态 异型系杆拱桥的施工方法与一般的系杆拱桥施工方法相同，本桥因通航要求不高，且属于刚性系杆冈 I 性拱结构，所以采用“先梁后拱”的方法，必须研究拱在裸拱状态(无吊杆)的受力性能。 异型系杆拱桥在裸拱(无吊杆)自重作用下(简称裸拱状态)
10、拱圈的轴力图、弯矩图如图 2 所示。 图 2 裸拱状态拱圈内力图 由图 2 知，裸拱状态拱圈轴力均为压力，在靠近两拱脚处轴压力较大，拱顶附近轴压力较小：裸拱状态拱圈弯矩在坦拱区(以拱项为界)的12 处附近正弯矩最大，在陡拱区的约 12 处(距拱脚)负弯矩最大，从陡侧至坦侧沿跨径分布呈“S”形分布。拱圈截面上、下缘应力： = N/A M/W=0.725N 2154M(1) 从图 2a 知，式(1)中的变化幅值约为 350(kN)，从图 2b 知的变化幅值约为 4000(kNm)，因而式(1)中等号右边第 1 项的变化幅值为253.8(kPa)，第 2 项的变化幅值为 8616(kPa)，前者是后
11、者的 2.9，故截面上下缘应力沿跨径分布与弯矩分布几乎相同，对系梁可以得出同样的结论。 在裸拱状态，异型系杆拱桥陡侧下缘、坦侧上缘等处均存在较大的拉应力，最大拉应力有 4MPa，因此，在实际施工中，不宜处于裸拱状态(未安装及张拉吊杆)，即拱圈支架不宜一次卸落，必须了解拱圈支架卸落对结构的影响。陡拱侧 1 区拱圈支架卸落所产生的弯矩增量沿跨径分布与拱圈作为以该区陡拱侧一端固定、另一端外侧附近一处和其他各处为弹性支承的连续梁承受该区拱圈自重荷载的弯矩相近；其它各区支架首先卸落所产生的弯矩增量沿跨径分布与拱圈作为以该区两端外侧附近各一处和其他各处为弹性支承的连续梁承受该区拱圈自重荷载的弯矩相近。某区
12、拱圈支架卸落所产生的截面上缘压应力增量与拱圈弯矩增量相比沿跨径有几乎相同的分布规律。 系梁支架的卸落对支架现浇的结构十分重要，它关系到结构的受力情况甚至影响结构的安全。如果系梁支架卸落时机不当，系梁在施工中产生的弯矩会大大超过在结构完成后营运状态下的弯矩。因此，有必要了解系梁支架卸落对结构内力及应力的影响 3.2 主跨空间有限元模型与动力特性分析 根据该大桥主桥主跨的结构特点，采用通用软件建立大桥空间有限元结构分析模型进行结构的动力特性分析。在具体有限元建模过程中，对拱轴线为抛物线的拱肋，根据吊杆设置位置将拱肋离散为一系列空间三维线性梁单元，横隔板、纵梁、横撑和斜撑等构件采用空间梁单元；吊杆采
13、用只承受拉力的空间杆单元。将预制钢筋混凝土桥面板离散为两种单元，把板肋看作桥面系的纵梁，用空间梁单元模拟，如图 3 所示。 图 3 主跨结构有限元分析模型 结构动力特性计算结果表明，主跨结构振型复杂，主桥的竖向刚度和桥面的侧向刚度较强，而钢管混凝土拱肋的面外刚度相对较弱。横撑和斜撑的设置除保证桥梁结构的整体稳定性并增强拱肋的抗风性能外，还可以明显提高拱桥的抗扭刚度和竖向弯曲刚度。 复杂应力区的建模与分析 由于该大桥主副拱和桥墩结合部位的倒三角区受力复杂，但传感器测点也不易过多。所以对其进行数值模拟计算分析，来了解结构的真实受力情况与应力分布，为大桥倒三角区的传感器布设提供依据。为了真实地反应映
14、三角区的结构受力特点，采用子模型法进行结构分析。首先应用 ANSYS 软件建立大桥的整体结构空间简化模型，求解得到三角区的受力边界条件。然后采用 ANSYS 有限元分析软件建立三角区的空间细化模型，计算分析应力分布状态，如图 4 所示。 图 4：三角区有限元计算模型图图 5：主拱最大轴力下的主应力云图 对计算模型施加四种加载工况：（1）主拱最大轴力；（2）主拱最大剪力；（3）主拱最小弯矩；（4）斜拱最小弯矩。图 5 为工况 1 下计算模型的应力分布情况。根据有限元分析结果，计算模型的最大应力出现在拱座顶部靠近副拱肋的位置，这是由于在副拱肋的根部，混凝土对其有约束作用，同时这些混凝土也受到拱肋的
15、反作用，相对拱座下部来说，其顶部相对薄弱。其余位置除了与预应力筋接触处应力较大外，其他比较均匀。最大压应力在副拱肋的空心钢管位置处，与其接触的混凝土拱座受其影响，压应力值也比其余位置大。因此需要对副拱肋拱角区进行重点布置应力测点，进行观测。 3.4 吊杆张拉施工工艺 张拉作业前应将千斤顶配套压力表送有资质的单位进行检定，根据检定的数据和回归方程，计算出油压应力值对应表。张拉前进行锚头检查，必要时在螺母与锚杯的螺纹部位加少量的机油，便于张拉时旋扭。张拉过程中固定端与桥面应有专人观察、检查，防止固定端螺母位置的变化与索体偏心。张拉过程中为保证索体拉力，减少回缩损失，张拉螺母必须旋紧到与钢垫板完全贴
16、合后才能放张。 张拉程序： (1)预应力钢束均为两端张拉。其张拉步骤为： (2)张拉预应力应采用应力控制，并以伸长量进行校核，当预应力张拉达到控制张拉应力时，实际伸长量与理论伸长量的差值应控制在 6范围内。预应力钢绞线理论引伸量根据规范要求计算取值，施工时应根据钢绞线实测弹性模量和钢束面积具体计算。因拉索总的力值很小，张拉过程中因受拉索垂度、拱圈压缩与系梁抬高的影响，实际测量的延伸量与计算值将会有较大的误差，应根据桥梁的实际变形情况调整。 4 结束语 本文通过对异型系杆拱桥的结构特征与受力特点进行理论分析和讨论，将理论在实际桥梁施工中得到应用在异型系杆拱桥施工过程中。由于在施工方案、工艺准备、检测评定标准等方面的工作做得相当充分与仔细，异型系杆拱桥施工尤其是吊杆加工与张拉施工取得了较为显著的效果，整体成桥后，通过对吊杆、系杆和拱肋的联合监测，各部分应力及变形均在规范与设计的允许范围之内。克服了施工困难，降低了工程造价。 参考文献 何浩祥，闫维明，马华，等 结构健康监测系统设计标准化评述与展望 地震工 程与工程振动，2008，28（4）：154-156. 孙传智.异型系杆拱桥结构运营期间健康监测系统研究 公路，2012（1）：58-60.
