网状吊杆拱桥在大跨度重载交通中的应用

段书龙， 郑国华

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

网状吊杆拱桥为部分斜吊杆与其他斜吊杆至少交叉二次的加密型尼尔森体系拱桥(图1)[1]，吊杆相互交叉成网状，所以也称为网状吊杆拱桥。其受力特点和设计构造与竖直吊杆拱桥有较大区别，网状吊杆拱桥拱肋和系梁承受的弯矩较小，且分布较为均匀，结构刚度大，节省材料，经济美观等优点。

图1 吊杆类型分类

世界上第一座网状吊杆拱桥是修建于20世纪60年代挪威Steinkjer公路桥，而后网状吊杆拱桥在欧美和日本得到较大发展。网状吊杆拱桥跨度一般在400 m以内，横向宽度在25 m以下，拱肋多采用钢箱和钢管结构，系梁也多采用钢箱结构，部分桥梁也采用组合结构和混凝土结构。

国内网状吊杆拱桥早期多用于铁路桥梁，近年在公路上得到推广，网状吊杆拱桥整体刚度大，较为适合公路重载交通，因此本文探讨网状吊杆拱桥在重载交通下的应用。

本文以国内某高速公路桥为例，该高速公路为国内东西向国家高速公路网中的重要组成部分，重载车辆密集，因路网改扩建需要拟在该道路上建设一座150 m主跨网状吊杆拱桥。

1 设计要点

本桥建设标准为双向八车道，桥梁标准宽度为42 m，左右幅宽20.5 m，中间分隔带1 m，主桥部分因受拱肋影响，全宽为45.3 m，横向设置三片拱肋(图2)。

图2 主桥标准横断面

拱肋与系梁取值同等高度和宽度，边纵梁(边拱)1.5 m宽×2.0 m高，中纵梁(中拱)1.8 m宽×2.4 m高。拱肋矢跨比为1/5，拱轴线悬链线设计(图3)。

图3 上部结构布置图

吊杆采用梁上锚点等间距布置，等角度设计。吊杆梁上锚点间距7.2 m，角度65°，单拱肋吊杆横向交错布置，边拱肋吊杆横向间隔50 cm，中拱肋吊杆横向间隔60 cm(图4)。

图3 拱肋吊点示意图

梁为纵横梁结构，全桥横向分布三道主纵梁，主纵梁采用钢箱结构，每道主纵梁之间设置两道小纵梁，相邻主纵梁间距21.9 m，小纵梁间距6.75 m，采用工字型断面。横向间隔3.6 m设置一道中横梁，中横梁按工字型断面变高度设计。梁端拱梁结合处各设置一道端横梁，采用钢箱结构变高度设计。

桥面板采用26 cm钢筋混凝土预制板，纵横向均采用剪力钉和湿接缝与钢梁连接，桥面板上铺装10 cm沥青混凝土。

吊耳在拱端和梁端均采用叉耳形式，根据吊杆位置不同采用不同的钢绞线类型(图5)。

图4 吊杆大样图

2 施工方法

网状吊杆拱桥施工方法比较多，最常见的是支架拼装，先梁后拱法施工，该方法在桥下有条件搭设支架的情况下进行，施工简单，是该类桥梁最常使用的方法，过程中按照施工顺序组装桥梁构件，不存在体系转换和主要构件的移动，安全可靠，方便快捷。

桥梁施工不具备搭设支架的条件下，可以采用先拱后梁的施工方法，采用临时吊索拼装拱肋，然后吊装法施工主梁，该方法需要较多的临时措施，施工造价较高，风险性也较大，多用于山区峡谷等地质条件较好的有推力拱。

在通航条件较好，浮吊能力较大的跨河桥梁中，也可以使用浮吊的形式架设拱肋和主梁。

网状吊杆拱桥因截面尺寸小，结构自重轻，因此比较适合顶推方案。顶推方案分为横向顶推和纵向顶推两种，可以根据桥梁状况择优选取。该施工方案在拼装完成后，整体顶推到桥位，施工便捷，节约工期。

本桥的施工采用纵向顶推方案，施工顺序如图5所示。

图5 施工过程示意图

施工中，基础施工与拱桥拼装同步进行，节约工期，为减少顶推重量，顶推仅包括主纵梁、横梁、拱肋和横撑，为防止顶推工程中拱肋变形，采用临时刚性吊杆固定拱肋，顶推到位后，逐渐更换永久吊杆。

网状吊杆拱桥施工方案较为多样化，普通拱桥的施工方案均都适用于网状吊杆拱桥，条件允许的情况下多采用先梁后拱的支架施工方案，因桥梁结构纤细，重量较轻，顶推方案也是网状吊杆拱桥较为便捷的施工方案。设计过程中可以根据具体的桥位情况进行选择。

3 网状吊杆拱桥受力分析

3.1 结构内力分析

网状吊杆拱桥因斜向吊杆在面内形成网状结构，发生变形时因吊杆作用相互牵制，使得拱肋和梁的变形得到约束，面内刚度较大。

在恒载作用下，结构的内力分布如图6、图7所示。

图6 桥梁弯矩图

图7 桥梁轴距图

在恒载作用下，桥梁拱肋和主梁截面弯矩都比较小，最大位置为拱脚处，拱肋最大弯矩为2650 kN·m，主纵梁最大弯矩在拱梁结合处，最大值为5500 kN·m。截面主要承受轴力，轴力分布比较均匀，拱肋轴力在23 000～27 000 kN，主纵梁受拉，轴力在21 000～22 800 kN。

网状吊杆拱桥承受的弯矩小，轴力大，受力明显优于他类型吊杆拱桥[3]，因此可以减小拱肋和主纵梁截面尺寸，节约材料，降低桥梁造价，进一步提高桥梁美观性，在桥梁施工方案上也有了更多的选择，根据桥梁的具体情况选择合适的施工方案。

3.2 结构稳定性

网状吊杆拱桥面内吊杆交织，相互制约，刚度较大，一般失稳均为面外失稳，因此国外设计的网状吊杆拱桥多为横撑密布型，通过增加横撑保持面外稳定。

本桥设计时，每两片拱肋间设置三道“X”撑，横撑分布如图8所示。

图8 横撑布置图

该桥的前5阶失稳模态均为面外，其模态分布见表1。

表1 失稳模态表

该桥在面外稳定性较好，因此设计时确保结构强度满足规范要求即可。

3.3 挠度计算

活载作用下(考虑重载交通的特殊荷载)主桥最大下挠值为3.3 cm，满足规范要求。对比相同结构尺寸、刚度下竖直吊杆拱桥挠度值为15.7 cm，下挠量约为网状吊杆拱桥的4.7倍。说明网状吊杆拱桥刚度较大，变形小。

在重载交通作用下，桥梁的变形很小，很大程度上改善了行车平顺性和舒适性，因此网状吊杆拱桥适用于重载交通流下的公路桥梁。

4 网状吊杆拱桥构造特点

通过计算分析，网状吊杆拱桥拱肋和主梁承受弯矩较小，且分布较为均匀，因此拱肋和梁尺寸设计较小，这在很大程度上减轻了结构自重，统计国内外网状吊杆拱桥，构造特点存在以下几个方面：

(1)网状吊杆拱桥拱肋矢跨比一般较小，拱肋矢跨比分布在1/7～1/5，拱轴线多采用圆曲线和悬链线。拱肋可以采用钢管、钢箱等结构，钢筋混凝土结构使用较少。

(2)主梁因承受弯矩较小，构件尺寸远小于常规结构。梁的结构形式一般采用钢结构、钢混结构和预应力混凝土结构。

(3)吊杆：吊杆采用斜向布置，角度倾斜45～75°，吊杆较密，数量较多，通常是竖直吊杆的2～4倍。吊杆布置一般存在以下几种方式[2]：① 恒定角度，即吊杆梁上端点(下锚点)沿跨度等间距吊杆与主梁成恒定角度，或拱上端点(上端点)沿拱轴线等间距布置，吊杆与拱轴线成恒定角度；② 递增(减)倾角，即吊杆拱上端点沿拱轴线等间距布置，吊杆下端点间距变化。

5 结 论

网状吊杆拱桥拱、梁承受弯矩小而均匀，稳定性较好，整体刚度大，节省材料，经济美观，施工便捷。具有较好的应用前景[4]，目前该类桥型已经在国外得到较大推广，国内铁路桥中应用较多，公路桥近几年也得到了一定的应用，但是数量较少，希望通过本桥的设计特点和施工方法，能对该类桥型的推广和普及提供一些帮助和参考。