钢系杆拱桥结构体系设计参数研究

６４　世界桥梁　２００８年增刊１　钢系杆拱桥结构体系设计参数研究　刘春凤　，司秀勇　，蒋再松　，潘慧敏　（１．中铁山桥集团有限公司，河北秦皇岛０６６２０５；２．燕山大学，河北秦皇岛０６６００４）　摘要：系杆拱桥具有跨越能力大、建筑高度小等优点，在已建高速铁路的国家都得到了应用，但我国至今还　没有在高速铁路上实际建成大跨度钢系杆拱桥，设计中还有许多问题需要研究。以大跨度钢系杆拱桥为工程背　景，利用有限元程序分析了矢跨比、系梁和拱肋的刚度比、拱肋横向连接系的设置、吊杆布置形式、桥面系对结构力　学特性的影响，探讨了上述参数相对较优的方案，供设计人员参考。　关键词：系杆拱桥；矢跨比；横向连接系；参数研究　中图分类号：Ｕ４４８．２２５；Ｕ４４２．５　文献标志码ｌＡ　文章编号：１６７１～７７６７（２００８）Ｓ１—００６４—０４　１　引　言　条件按实际约束给出，其计算模型见图１。本文将　系杆拱桥与其它桥型比较，具有跨越能力大、建　利用该模型对系梁和拱肋的刚度比、矢跨比、横向联　筑高度小、美观经济等优点，在已建高速铁路国家都　结系的设置、吊杆的布置形式作出对比，以得出相对　得到了应用。特别是当高架线路斜交跨越城市干　较优的方案。　道、高速公路等需要桥梁跨度较大、梁部结构建筑高　度要求较小时，采用该桥型具有独特的优势。　我国至今还没有在高速铁路上实际建成大跨度　钢系杆拱桥梁，设计中还有很多的技术问题需要进　行深入、全面的研究。本文就系杆拱桥的矢跨比、拱　图１有限元计算模型　肋和系梁刚度比、横向连接系布置，吊杆布置形式设　计参数、桥面系结构进行计算分析，同时还比较了不　４计算结果和分析　同吊杆布置形式下结构的地震响应情况。　４．１矢跨比的影响　矢跨比是拱桥的一个重要特征参数，它不仅影　２　工程背景　响结构的受力特性和施工方法，同时对拱桥的自身　处于设计阶段的某桥是某高速客运专线上的一　座下承式钢系杆拱桥ｎ］，其计算跨径为１２８　ｒｎ。该　形态以及与周围环境相协调也有很大关系，因此，研　桥的拱轴线采用二次抛物线，矢跨比为１：５．３；拱　究在不同矢跨比条件下结构的受力特性的变化规律　肋采用钢箱梁截面，截面高３　ｒｎ，按等截面布置；系　以及提出合理的矢跨比建议，对系杆拱的设计是很　梁采用钢箱梁截面，截面高３．５　ｒｎ，按等截面布置，　有必要的。　两片拱肋之间设７道横撑，２道Ｋ撑；不设纵梁，将　在此项分析中，保持其它条件不变的情况下，矢　横梁加密，纵向间距采用３　ｒｎ，两端与主梁采用栓　跨比取值从１／５变化到１／６，荷载工况：取ＺＫ活　接。桥面板分预制　现浇两部分，首先用预制板铺　载　（双线）按最不利位置布置。　满横梁之间的空格，然后再浇注混凝土板之间的现　计算结果表明：　浇湿接头；吊杆采用工字钢，连接处采用栓接，桥面　（１）随着矢跨比的减小，拱肋的轴压力不断增　宽１６　ｒｎ，双线，属刚性系杆（梁）刚性拱（洛泽拱）。　大，跨中（Ｌ／２处）、Ｌ／４处、拱脚处的轴压力的增幅　基本相同；随着矢跨比的减小，拱肋拱脚处的弯矩基　３计算模型　本不变，拱肋Ｌ／４处和跨中的弯矩都增大，尤其以　采用大型通用有限元软件ＭＩＤＡＳ进行建模。　Ｌ／４处的变化最为明显，弯矩增加到了初值的３倍　混凝土桥面板采用板单元，其余均采用梁单元，边界　左右。　收稿日期：２ＯＯ８一Ｏ１—２１　作者简介：刘春风（１９６３一），女，高级工程师，１９８６年毕业于西南交通大学桥梁工程专业，工学学士。　维普资讯 http://www.cqvip.com 钢系杆拱桥结构体系设计参数研究　刘春风，司秀勇，蒋再松，潘慧敏　６５　（２）随着矢跨比的减小，系梁的轴压力变化情　化。与弯矩相比，结构的轴力变化幅度很小，或者说　况与拱肋的基本相同；随着矢跨比的减小，系梁拱脚　结构的弯矩对　变化很敏感。　处的弯矩基本不变，系梁ｒ／４处和跨中的弯矩都增　（２）受　变化影响，拱脚处的弯矩最终都增大　大，以ｒ／４处的变化最为明显。　到初值的５倍左右；拱肋ｒ／２处弯矩变化较大，增　（３）矢跨比过大，不利于施工和结构的稳定性，　加到初值的２Ｏ倍左右，系梁ｒ／２处弯矩则略有减　矢跨比过小则造成拱肋当中弯矩偏大，不符合拱结　小；拱肋ｇ／４处弯矩变化最大，达到了初值的５Ｏ　构主要受压的特点，同时系梁中的拉力也偏大，给施　倍，系梁ｒ／４处弯矩略有增加。总的来看拱肋弯矩　工带来麻烦。过大或者过小的矢跨比，在视觉上也　要比系梁弯矩对　变化敏感。　不协调。因此，综合各种因素来看，矢跨比取到１／５　（３）内力变化图线在　—Ｉ／２前后斜率发生很　左右是较为恰当的，这也是实际拱桥设计中常采用　大变化，内力值在　＝Ｉ／２之前基本不变，之后迅速　的矢跨比取值。　增加。　４．２系梁和拱肋的刚度比的影响　拱肋为受压构件，理论上应使其弯矩越小越好，　随着　［注：　一（Ｅ１）肋／（Ｅ１）系］的不同，结构体　但从构造上看，系杆与拱肋刚度比取得过小或过大　系受力特点会发生很大的变化，而实际设计时对拱　时，构造均不易处理。　取值在Ｉ／２左右时，可以明　肋与系杆的刚度比选取的范围总希望有一个相对的　显地减小拱肋中的弯矩，使其符合梁拱组合体系桥　基点可作参照，在较小的范围内取值，因此，研究系　梁的受力特点——“拱肋受压，系梁受拉”，而此时系　杆拱结构在不同刚度比条件下的受力特性变化规律　梁跨中的挠度也得到相对较优的取值，同时在构造　并对恰当刚度比取值提出合理建议，是具有很大的　上更加合理。　必要性和现实意义的，文献［３］探讨了中等跨径预应　４．３拱肋横向连接系的布置　力混凝土刚性系杆拱桥的系杆与拱肋的刚度比合理　随着拱桥跨度的增大，拱肋的轴压力变得非常　取值，其分析方法是可以借鉴的。　大，结构的稳定性问题相当突出，如果拱的侧向刚度　计算分析中，其它条件不变，　取值从Ｉ／ＩＯ变　相对较小，当荷载达到一定临界值时，拱可能先离开　化到ＩＯ／Ｉ，建立２Ｏ个子模型，图２为内力比值与刚　其受载的平面向空间弯扭形式的平衡状态过渡，即　度比的关系图，作图时统一用　—Ｉ／１０时的内力值　发生拱的侧倾或侧屈。横向连接系的数量、布置位　对各数据进行单位化。　置、样式对拱桥的稳定起到比较重要的作用，因此考　虑以上因素，并结合施工条件、经济性、美观性来确　定横向连接系的布置形式是很有必要的。本文借鉴　文献Ｅ４］，详细探讨了拱肋横向连接系的最优布置　形式。　在其它条件不变的情况下，对横撑的数量、布置　而百百　１０　８　６　４　２　刚度比　刚度比　位置、样式分别进行建模分析。　拱肋各节点的位置编号见图３。　丑　图３横撵位置示意　１０　８　６　４　２　首先确定“一”字撑最合理的布置位置和数量　刚度比　（ｂ）系梁　（见表１），参考表１各方案，综合考虑后在此基础　上，完成“Ｋ”撑的布置（见表２）。　图２结构内力比值与刚度比关系示意　由表１、表２可以看出，由于洛泽拱的拱肋和系　荷载工况：取ＺＫ活载（双线）按最不利位置　梁的面内刚度都较大，因此不易发生面内失稳的情　布置。　况，结构的失稳形式主要是面外失稳。由于桥面系　计算结果表明：　自身刚度较大，故失稳的主要表现是拱肋屈曲。　（１）当　变化时，结构的内力会发生明显的变　横撑的形式对拱的稳定有非常大的影响，合理　维普资讯 http://www.cqvip.com

６６　表１横撑布置分析（“一”字撑）　方案　数量　位置　失稳形态（面外）稳定系数　１８　２　对称　１９　２　对称　２Ｏ　２　反对称　２１　４　对称　２２　４　对称　２３　６　对称　的横撑布置可以让结构的稳定性有十分明显的提　高，这是由于横撑的存在有效减小了拱肋计算长　度　引。　通过对各方案的具体失稳形态的观察可以发　现，跨中部分拱肋的变形比较大，从方案１到方案　３，在跨中部分布置了横撑之后，结构的稳定系数提　高了一倍多，相反在靠近拱脚位置布置横撑则效果　要差得多。这是由于，在靠近拱脚处有强大的端横　梁的存在，相当于对拱肋起到了一定的“钳制”作用，　因此越靠近拱脚处２片拱肋整体联系越强，越靠近　跨中越弱，稳定性越差。　４．４不同的吊杆布置形式的影响　在其它条件不变的情况下，对竖吊杆、斜吊杆、　网状吊杆３种吊杆布置形式的结构分别进行建模　分析。　计算结果表明：　（１）对于洛泽拱体系，采用竖吊杆布置形式拱　肋的轴力峰值要略低于采用斜吊杆和网状吊杆得到　的轴力峰值；采用竖吊杆布置形式拱肋的弯矩峰值　在拱脚处低于采用斜吊杆和网状吊杆得到的弯矩峰　值，在Ｌ／４和Ｌ／Ｚ处都要远远高于后二者。　（２）采用竖吊杆布置形式系梁的轴力峰值要略　世界桥梁　２００８年增刊１　低于采用斜吊杆和网状吊杆得到的轴力峰值；采用　竖吊杆布置形式系梁的弯矩峰值在拱脚处低于采用　斜吊杆和网状吊杆得到的弯矩峰值，在Ｌ／４和Ｌ／Ｚ　处都要高于后二者。　（３）３种情况下系梁挠度影响线的峰值相差不　大，但是竖吊杆情况下系梁挠度影响线有正有负，而　斜吊杆和网状吊杆条件下的挠度始终为负，上述结　论也同文献［６］～［８］相关结论基本一致。　４．５桥面结构的对比　桥面结构的构造形式可以是多种多样的，本文　结合施工、运营等各种情况来分析桥面结构合理的　构造形式。　方案一，不设纵梁，将横梁加密；方案二，设２根　纵梁。有限元模型如图４所示。　图４有限元模型（不同桥面结构）　对比分析荷载考虑了一期恒载和二期恒载、ＺＫ　活载、混凝土的收缩及温度荷载。根据运营阶段荷　载的作用时间，采用不同的钢混凝土弹模比值进行　计算分析。一期恒载由钢结构单独承受，二期恒载　和活载由组合结构承担，共采用了５种荷载工况进　行对比分析。结合梁共同作用工况１为二期恒载＋　混凝土收缩；工况２为工况１＋双线ＺＫ活载；工况　３为工况１＋单线ＺＫ活载；工况４为工况１＋体系　整体均匀升温２２℃；工况５为工况１＋体系整体均　匀降温２２。Ｃ。对于钢结构，应在相应工况上迭加一　期恒载所产生的内力值。　计算结果表明，横梁不仅受面内（竖向）弯曲作　用，而且还有较大的面外弯曲作用。横梁的应力分　布都是两端很大，中间较小。对纵横梁桥面系，在纵　梁位置出现较大的应力突变。　横梁水平剪力主要由端部的横梁承担，沿顺桥　向递减梯度比较大，最中横梁水平剪力已很小。整　体上横梁两端的水平剪力很大，而中部很小。对于　最大水平剪力，密布横梁方案比纵横梁方案要小　４５％左右。对于最大竖向剪力，密布横梁方案也比　维普资讯 http://www.cqvip.com

钢系杆拱桥结构体系设计参数研究　刘春风，司秀勇，蒋再松，潘慧敏　６７　纵横梁方案要小２１　左右。　温度荷载对横梁的影响较大，温度升高对横梁　状吊杆布置，使得梁拱组合体系桥梁受力特点得到　充分发挥，同时挠度变化也相对较小，有利于行车　平稳。　不利，剪力和应力都有较大幅度的提高，而降温对横　梁来说，则是有利的。在活载作用下，紧挨端横梁的　第１根次横梁的局部应力较大。　５　结　论　（５）桥面系采用纵横梁体系时纵梁和横梁结合　处应力会有比较大的突变；密布横梁体系的水平和　竖向剪力都明显小于纵横梁体系。　参　考　文　献：　［１］铁道第二勘察设计院．新建铁路福州至厦门线初步设计　（１）随着矢跨比的变小，拱肋和系梁的轴力以　及弯矩都呈线性增大的趋势，矢跨比取到Ｉ／５时，结　构受力较合理，同时满足施工和美观的要求。　（２）受　变化影响，结构弯矩变化很大，轴力基　本不变；从弯矩角度讲，拱肋中的弯矩变化十分明　显，而系梁弯矩变化就小得多，拱肋的弯矩变化总趋　势基本是随着　变大而变大，　取值在１／２左右时，　结构受力更合理，构造上也易处理。　（３）结构的失稳形式主要是面外失稳，由于桥　木兰溪特大桥１２８　ｍ系杆拱梁部构造图ＥＲ］．成都：　铁道第二勘察设计院，２００５．　［２］铁建设函Ｅ２ｏｏ３］Ｉ３号，京沪高速铁路设计暂行规定Ｅｓ］．　［３］秦海晔．刚性系杆拱桥中系杆与拱肋的刚度比探讨［Ｊ］．　浙江水利科技，２００２，（６）：５６—５７．　Ｅ４］张哲，邱文亮，黄才良．铜瓦门大桥设计与稳定性研　究［Ｊ］．大连理工大学学报，２００２，４２（４）：４５８—４５９．　［５］魏建，李　岩．横撑对拱桥稳定性的影响［Ｊ］．四川建　筑，２００５，２５（９）：１１０—１ｌ１．　面系自身刚度较大，故失稳的主要表现是拱肋屈曲，　加强跨中横向联系对提高结构的整体稳定性有较明　显的效果。　Ｅ６］刘钊，吕志涛．竖吊杆与斜吊杆系杆拱结构桥式研究　［Ｊ］．土木工程学报，２０００，３３（５）：６３—６７．　［７］田学民，李　乔，张清华．高速铁路大跨提篮拱桥的静　力刚度及模型‘试验研究［Ｊ］．桥梁建设，２００２，（４）：１２　（４）采用斜吊杆和网状吊杆布置方式时，拱肋　和系梁关键截面处轴力影响线峰值较之竖吊杆方式　略有提高，但是作为设计用的轴力没有太大差异；弯　矩方面，与吊杆竖直布置方式相比，斜吊杆和网状吊　１５．　［８］夏曼，刘　浩．不同吊杆布置形式下简支梁拱组合体　系拱桥影响线特性分析［Ｊ］．交通科技与经济，２００４，　（２）：１—３．　杆布置的拱肋和系梁弯矩值明显降低，斜吊杆和网　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｓｔｅｅｌ　Ｔｉｅｄ　Ａｒｃｈ　Ｂｒｉｄｇｅ　ＬＩＵＣｈｕｎ－ｆｅｎｇ　，ＳＩＸｉｕ－ｙｏｎｇ　，ＪＩＡＮＧＺａｉ－ｓｏｎｇ　，ＰＡＮＨｕｉ－ｍｉｎ。　（１．Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｓｈａｎｈａｉｇｕａｎ　Ｂｒｉｄｇｅ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃ。．，Ｉ　ｔｄ．，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ　０６６２０５，　Ｃｈｉｎａ；２．Ｙａｎｓｈａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ　０６６００４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｔｉｅｄ　ａｒｃｈ　ｂｒｉｄｇｅ　ｈａｓ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆ　ｇｒｅａｔ　ｓｐａｎｎｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒ—　ａｌ　ｈｅｉｇｈｔ　ａｎｄ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｕｎｔｒｉｅｓ　ｗｈｅｒｅ　ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ　ｒａｉｌｗａｙｓ　ｗｅｒｅ　ｂｕｉｌｔ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，　ｏｎ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ　ｒａｉｌｗａｙｓ　ｉｎ　Ｃｈｉｎａ，ｔｈｅ　ｌｏｎｇ　ｓｐａｎ　ｓｔｅｅｌ　ｔｉｅｄ　ａｒｃｈ　ｂｒｉｄｇｅｓ　ｈａｖｅ　ｎｏｔ　ｂｅｅｎ　ａｃｔｕａｌｌｙ　ｂｕｉｌｔ　ＳＯ　ｆａｒ　ａｎｄ　ｔｈｅｒｅ　ｓｔｉｌｌ　ｅｘｉｔ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｒｅｍａｉｎｉｎｇ　ｔｏ　ｂｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，　ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｅｄ　ｂｙ　ａ　ｌｏｎｇ　ｓｐａｎ　ｓｔｅｅｌ　ｔｉｅｄ　ａｒｃｈ　ｂｒｉｄｇｅ，ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｔｈｅ　ｒｉｓｅ—ｔｏ—ｓｐａｎ　ｒａｔｉｏ，ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ｒｉｇｉｄｉｔｙ　ｏｆ　ｔｉｅｄ　ｂｅａｍ　ａｎｄ　ａｒｃｈ　ｒｉｂ，ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｌａｔｅｒａｌ　ｂｒａｃｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ａｒｃｈ　ｒｉｂｓ，ｓｕｓｐｅｎｄｅｒ　ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｆｌｏｏｒ　ｓｙｓｔｅｍ，ｏｎ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｉｅｄ　ａｒｃｈ　ｂｒｉｄｇｅ　ａｎｄ　ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ，ｓｏｍｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ　ｇｏｏｄ　ｐｒｏｐｏｓａｌｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓａｉｄ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｒｉｄｇｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｉｅｄ　ａｒｃｈ　ｂｒｉｄｇｅ；ｒｉｓｅ—ｔｏ—ｓｐａｎ　ｒａｔｉｏ；ｌａｔｅｒａｌ　ｂｒａｃｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ；ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｓｔｕｄｙ