斜靠式钢箱拱桥稳定承载力及成桥试验

顾晓毅

[上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092]

0 引言

世界上首座斜靠式拱桥为1987 年建造于巴塞罗那的Bacde Road Bridge，我国已建成的斜靠式拱桥有昆山玉峰大桥、义乌丹溪大桥和上海康宁路蕰藻浜大桥等。该类型拱桥是传统拱桥的创新，避免了主拱间风撑造成的行车压抑感，同时增设斜靠拱，与主拱形成的三角形体系有效保证了拱肋的空间稳定性。

斜靠式拱桥一般用于桥面宽度较大、对景观有一定要求的桥梁。国内该类桥梁的最大桥面宽度、主跨分别达到了60 m 和160 m。根据桥位地质条件，斜靠式拱桥可采用有推力拱、系杆拱或组合体系（图1 所示），其中（a）、（b）体系适用于地质条件较好地区，（c）、（d）体系适用于软土地区。

图1 斜靠式拱桥结构体系（横断面）图

斜靠式钢箱拱桥结构体系较为新颖，国内相关研究并不多。肖汝诚[1]等以昆山玉峰大桥为例，对斜靠式钢管混凝土拱桥的力学性能、构造特征等问题进行分析；王玉银[2]等以广东金山大桥为背景，探讨其力学性能、破坏机理和稳定承载力；陈淮等以益阳康富南路桥[3]、潮州韩江北桥[4]为研究对象，进行振动特性及参数分析。上述研究主要针对钢管混凝土斜靠拱桥，而针对斜靠式钢箱拱的稳定性研究很少。本文以已建成的上海康宁路蕰藻浜大桥为背景，研究斜靠式钢箱拱桥的稳定承载力，同时进行成桥静动载试验，验证大桥受力性能。

1 大桥设计概况

蕰藻浜大桥采用图1（c）所示受力体系，设计荷载等级为城-A 级。大桥主孔跨径145 m，矢高24 m（矢跨比≈1/6.0），桥梁满足机动车、非机动车和行人过河需求，桥面总宽度达到52.3 m。大桥采用斜靠式拱桥结构，斜拱设计倾角为θ=19°，斜拱与主拱之间设置风撑，两片主拱间不设风撑。

考虑河道通航要求，大桥采用“先拱后梁”的安装方法，施工期间设置少量支架。大桥主体结构采用便于预制安装的钢箱拱、钢系梁和钢-混凝土叠合桥面系。

拱肋及拱间横撑：主、斜拱肋均采用全焊接钢箱断面，拱肋宽度与钢系梁对应；主拱与斜拱间设置4对横撑，横撑与拱肋采用焊接连接。

钢系梁及桥面系：钢系梁为单箱室钢箱梁，对应主拱和斜拱处设置；桥面系为钢-混凝土叠合梁格体系，横梁采用开口H 形焊接钢梁，其上铺设预制钢筋混凝土桥面板。

吊杆及水平系杆：吊杆选用平行钢丝拉索，主、斜吊杆布置在对应拱肋所在面内；水平系杆选用平行钢丝冷铸锚拉索，锚固在钢系梁端部。

大桥总体布置如图2、图3 所示。

图2 斜靠式钢箱拱桥横断面图（单位：mm）

图3 斜靠式钢箱拱桥立面图（单位：mm）

2 稳定承载力分析

2.1 有限元模型

建立有限元空间仿真模型：拱圈、系梁、横梁、横撑均采用空间梁单元，混凝土桥面板采用板单元，吊杆采用拉杆单元，同时输入桥梁下部结构模拟约束刚度。分析模型如图4 所示。

图4 有限元分析模型

2.2 荷载组合工况

主要计算分析见表1 所列六种荷载工况[5]对应的大桥稳定系数，其中重力荷载采用重力加速度场的方法施加，其它荷载换算成等效荷载施加在相应节点处。

表1 荷载组合工况

2.3 分析结果

通过弹性屈曲稳定分析，得到大桥的屈曲特征值和失稳模态。从图5、图6 可见，大桥的屈曲模态前15 阶均为拱肋面外失稳，面内失稳出现在第16 阶之后，说明大桥的面外刚度相对面内刚度较小。图5 中的失稳模态为n 倍半波面外失稳，拱顶、1/4L 处为拱肋的最大平面外变形位置，该处位移应作为成桥监测的重点。

图5 面外弹性屈曲模态（前15 阶，特征值系数λ=4.9～16.0）

图6 面内弹性屈曲模态（第16 阶之后，特征值系数λ＞16.7）

考虑几何非线性，对大桥进行非线性稳定分析，其一阶稳定系数及其与弹性屈曲一阶特征值系数的对比如表2 所列。从表2 可见：（1）大桥的弹性屈曲稳定是以竖向荷载为控制荷载，汽车荷载全桥布置时（工况1、工况3）竖向力最大，其稳定性最低；（2）在考虑几何非线性因素时，由于结构横向刚度较低，对横向风载、活载偏载最为敏感，因此汽车偏载布置、考虑风载时（工况4）稳定性最差；（3）与弹性屈曲稳定相比，在考虑几何非线性后，大桥稳定系数大约降低20%，降低幅度不是很大。

表2 稳定系数表

3 成桥试验

3.1 试验内容

通过成桥状态试验，主要了解桥梁在设计使用荷载下的结构性能，获取结构静动力特性等特征参数。大桥静、动载试验测点布置如表3 所列。

表3 成桥试验测点布置一览表

3.2 静载试验

静载试验结果分析主要包括变位（应力）校验系数、相对残余变位。

大桥静载试验变位校验系数如表4 所列。结果表明：各测点挠度实测值均小于理论计算值，检验系数在0.57～0.68 之间，满足设计刚度要求。

表4 静载试验变位校验系数表

大桥静载试验相对残余变位如表5 所列。结果表明：各测点相对残余变位在4.8%～7.8%之间，大桥具备较好的弹性恢复能力。

表5 静载试验相对残余变位一览表

3.3 动载试验

该桥动载试验应变动态增量μ 如表6 所列。结果表明：试验车辆以不同速度驶过平整桥面时引起的动态增量为0.04～0.14，驶过模拟不平整桥面时引起的动态增量为0.12～0.29；由于桥梁整体刚度较大，设计中动载冲击效应较为明显。

表6 动载试验应变动态增量一览表

4 结语

通过设置斜靠拱，并通过横撑与主拱形成空间受力体系，可为拱桥提供足够的横向刚度，满足设计要求。成桥静动力试验表明，静载变位校验系数和相对残余变位均反映大桥受力性能良好，同时动载应变动态增长率可达到0.29，设计中动载冲击不可忽视。