大跨度刚梁柔拱组合体系桥梁设计关键问题研究

李 爽

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司，辽宁 沈阳 110015)

1 案例分析

1.1 工程概况

工程为410 m跨径主桥，主桥为三孔连续拱梁组合体系，桥梁跨径组合结构形式为(105+200+105)m。

1.2 梁结构构造形式

(1)主梁截面构造

拱桥为下承式结构，主梁为预应力混凝土结构，箱梁为变高的结构形式。截面为双箱单室，桥梁全断面宽为33.5 m。路面机动车道宽为2×16 m，本段平面为直线段不设置超高，路拱采用2%的双向横坡度。

主梁顶板的厚度30 cm，悬臂自由端厚度18 cm，梁端厚度80 cm。梁腹板采用厚度渐变方式，厚度由55 cm变化至80 cm。底板采用1.8次抛物线进行变化，厚度由30 cm变化至90 cm。

(2)拱肋构造

拱圈为四管式双拱肋，与梁体共同受力，结构为下承式拱梁组合结构。拱脚固接于箱主梁体内，拱轴系数m=1.167的悬链线，矢跨比分别为1/3。

拱肋净跨径200 m，拱肋高200 cm，宽150 cm；均由二榀拱肋组成，每榀拱肋断面为高度桁式肋，由四肢Ф610×13 mm的Q345C钢管组成，拱肋钢管填充C50微膨胀混凝土。

(3)吊杆构造

吊杆采用环氧喷涂无粘结挤压拉索，外部带有PE防护管，上、下端分别固定在下弦管顶和矮横梁底部，上、下设导管和防水及封端设施，吊杆索外包PU外扩套和PE防护套，吊杆上、下均设置减震圈；吊杆间距均为7.5 m。

1.3 受力特点分析

本桥属于刚性梁柔性拱组合桥为下承式连续梁拱组合体系桥。主梁能承受较大的压应力，拱圈主要承受吊杆传来的下部荷载，主要产生压应力，这种大跨度刚梁柔拱组合体系桥梁与一般的下承式拱桥不同，此类桥梁拱肋吊杆受力分布不均匀，吊杆在靠近拱脚处受力较小，跨中受力较大[2]。

这种桥梁结构通常采用“先梁后拱”的施工方法，因此从梁的受力特点上看，由主梁作为自身重量的主要承担结构，主梁、拱肋共同承担二期恒载和活载。由此可见，刚梁柔拱组合体系桥梁具有拱桥和连续梁桥共同的受力特点，梁拱的刚度比会很大程度影响梁拱结构内力的分配，同时采用不同的施工方法对梁拱受力影响也较大，这种结构受力相对来说比较复杂。

1.4 抗震分析

(1)反应谱分析基本原理[3]

基于单振子地震响应进行反应谱分析，通过单振子的质量、阻尼、刚度假定在地震作用下产生加速度，描述为地震作用。用相关公式可以表示为公式(1)

(1)

(2)结合反应谱的地震力计算

多自由度体系的各项反应值是通过振型分解后产生各自的独立震动，然后再根据各个分解后振动最大值进行组合，就得到了最大地震作用破坏值。本次选用表1的地震动组合方式进行参数分析。计算分析时忽略行波对地震作用波产生的影响。

表1 反应谱四种工况分析参数选取表

本次选取上述工况组合中工况2进行研究分析，得到随着时间不断的延长地震作用下频率数据变化曲线。

根据上述地震作用反应谱周期频谱变化曲线可以看出：工况2在地震作用下，受到地震作用桥梁会在瞬间产生较大的破坏力，通过增设弹性构件或阻尼构件，可以有效减小频谱的反映时间，能够有效的提高桥梁结构的抗震能力。

2 梁拱组合体系受力分析

2.1 工况设定

在梁拱组合桥梁的施工和运营期间，受力较为复杂的部位就是梁拱结合部位，在各类荷载作用下结构会产生支座位移、收缩徐变、温度徐变等[4]。施工过程中主梁施工支架拆除前后和吊杆张拉之前拱脚受力变化是施工阶段最不利受力情况之一。利用有限元模型Midas Civil对桥梁受力状态进行跟踪模拟，通过对各种荷载的施加，能够极大程度模拟桥梁实际受力和变形情况。采用以下四个工况分析梁拱组合结构形式的受力，参见表2。

表2 梁拱组合结构形式受力工况分析表

2.3 梁顶板受力分析

在表2中的四种工况作用下，可以很好的分析每个工况作用下拱脚位置所受到的纵向正应力、压应力、拉应力的受力分布及变化情况。在拱梁结合部位梁体的顶板处受力变化较大，可以有效得到纵向正应力在顶板上横向分布规律。

(1)梁体纵向正应力分析

在实际工程计算中，采用工况1的恒载布置形式，发现在翼缘板端部梁板的纵向正应力最大；采用工况2墩顶截面负弯矩最大布置形式，发现梁体的第一道横隔板与顶板相交处拉应力最大；采用工况3墩顶截面剪力最大布置形式，发现梁体的第一道横隔板与顶板相交处拉应力最大；采用工况4墩顶截面剪力最大布置形式，发现梁体的翼缘板端部拉应力最大；根据上述4个工况的受力分析，得出恒载决定着拱脚结合段正应力[5]。

(2)主拉应力分析

对于梁体主要的拉应力，工况1作用下，主梁和拱肋钢管相交位置处顶板的主拉应力最大；工况2作用下第一道横隔板和顶板下缘腹板相交倒角位置顶板的主拉应力最大；工况3作用下，第一道横隔板和顶板下缘腹板相交倒角位置顶板的主拉应力最大；工况4作用下，第一道横隔板和顶板下缘腹板相交倒角位置顶板的主拉应力最大。由上述分析可知，恒载决定着拱脚结合段正应力，这是由于顶板纵桥向正应力分析时，没有考虑钢筋构造对应力有着重要的分散作用[6]。

(3)梁顶板横向应力分析

工况1作用下，腹板与顶板相交处拉应力最大，翼缘板端部压应力最大；工况2作用下，顶板与拱脚钢管相交处拉应力最大，翼缘板端部压应力最大；工况3作用下，顶板与拱脚钢管相交处拉应力最大，翼缘板端部压应力最大；工况4作用下，顶板与拱脚钢管相交处拉应力最大，翼缘板端部压应力最大。

2.4 梁体腹板应力分析

(1)纵向正应力

根据工况1分析，腹板受力通过支座进行传递，通常可以近似认为支座以与腹板45°夹角方向向上传递，通过对桥梁腹板受恒载作用受力分析，得知腹板纵桥向应力最大受力位置在腹板底，最小受力位置在中横隔板与腹板中部的连接处。根据工况2分析，腹板受力通过支座进行传递，通常可以近似认为支座以与腹板45°夹角方向向上传递，通过对桥梁腹板受恒载作用受力分析，得知腹板纵桥向应力最大受力位置腹板底部，最小受力位置在腹板中部与中横隔板连接处。根据工况3分析，通过对桥梁腹板受恒载作用受力分析，得知腹板纵桥向应力最大受力位置腹板底部，最小受力位置在腹板中部与中横隔板连接处。根据工况3分析，通过对桥梁腹板受恒载作用受力分析，得知腹板纵桥向应力最大受力位置腹板底部，最小受力位置在腹板中部与中横隔板连接处。根据上述四个工况分析，最大拉压应力分布基本相同，可以得出梁体纵向正应力主要由恒载决定的[7]。

(2)主梁拉应力分析

工况1作用下，腹板与顶底板连接处主拉应最大；工况2作用下，腹板与顶底板顶底板连接处主拉应最大；工况3作用下，腹板与顶底板顶底板连接处主拉应最大；工况4作用下，腹板与顶底板顶底板连接处主拉应最大；分析时没有考虑普通钢筋构造对应力的分散作用，应力集中现象出现在倒角位置。

3 施工过程主梁混凝土应力变化分析

3.1 主梁施工线形控制

桥梁的施工方案和桥梁的结构形式决定了大跨度连续梁桥施工阶段的划分，在施工过程中，根据施工外部环境条件的不同对桥梁施工方案的选择有较大的影响。对于大跨径梁拱组合体系，随着施工进度推进所附加的施工荷载和选用的施工机械也各不相同，这种施工中荷载变化对桥梁来说会产生很大的影响。在桥梁施工中对施工线形控制至关重要，这是保证桥梁施工线形和施工应力变化重要因素。桥梁最终目标就是通过施工控制保证合拢后桥梁满足设计线形要求，这个需要根据施工过程中的实际情况实施调整线形以满足最终线形使用要求[8]。

3.2 主梁不对称施工配重

在桥梁施工过程由于外部环境或突发情况难以避免桥梁出现两侧不能同步施工情况发生，这种不对称会导致桥梁施工中的受力不均衡，从而影响桥梁安全。出现这种不能对称施工情况时，最常用的方法就是在桥梁对称位置进行配重来平衡梁体两侧重量，除此之外通过配重还能够很好的调节梁体内力、线形等施工重要控制因素，通常采用配重施工具有以下几个作用。

(1)有效控制合拢线形。桥梁端部在合拢过程中会由于梁端自重产生挠曲变形，从而影响合拢段标高相对位移，为了保证顺利完成合拢施工，通常会对相对位移标高较小的一端进行配重，使得梁体端部相对位移符合合拢条件，能够更好的保证梁体最终线形平顺。

(2)有效调整合拢段标高差。根据施工不同组织形式和施工方案的选用，施工过程中常会出现与理论值的偏差，这种偏差可能导致桥梁合拢线形出现突变，这就需要调整标高来实现这一目标，通常采用在标高较高的一端增加配重，使得合拢段两端梁体标高一致，但是配重应根据桥梁实际情况使用，避免出现配重过大损坏梁体。

4 结 语

主要对大跨度刚梁柔拱组合体系桥梁设计关键问题研究，主要涉及梁的整体运营期受力分布和施工过程梁体受力分布，同时着重对梁体抗震性能设计进行系统分析，这是桥梁耐久安全的一个重要指标。通过实际工程认识且了解到梁拱组合桥梁的自身结构特点和不同阶段的受力特点。梁拱结构桥梁的结构特点决定了其不同部位的受力特点，根据这种受力特点对桥梁截面压应力、拉应力等受力进行了重点分析，桥梁结构和构造分析、受力特点分析得出梁拱组合体系桥梁最不利受力点集中在梁拱组合交点位置。其次对梁拱组合桥梁的地震作用进行逐一分析，同时也更好地明确了梁拱组合体系地震影响设计的重要分析方法，对于同类项目设计具有重要的参考价值和意义。最后通过梁拱组合桥的特点主要对施工过程中梁拱组合桥施工控制进行了系统分析，以更好服务于实际建设中，主要对于两侧平衡施工过程出现差异问题采用平衡配重来进行处理的重要方法手段，为保证梁拱组合体系桥成桥线形保证提供重要施工方法共同类项目借鉴和使用。