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网架系杆钢管混凝土拱组合桥的研究

来源：帮我找美食网

1999年8月北　方　交　通　大　学　学　报Aug.1999　

第23卷第4期JOURNALOFNORTHERNJIAOTONGUNIVERSITYVol.23No.4网架系杆钢管混凝土拱组合桥的研究

高　日　崔国成󰂍　刘智敏　姜兰潮　温宇平

(北方交通大学土木建筑工程学院,北京100044)　(长春水利勘测设计研究院󰂍,长春130062)

摘　要　提出了一种新的桥梁结构形式———网架系杆钢管混凝土拱组合桥.并将这一构思首先应用于一座50m跨10m宽的双车道公路桥中.结合空间网架结构、钢管混凝土结构、系杆拱桥的受力特点,阐述了这种新型式桥的结构构成、受力机理、分析方法及美学特性.关键词　网架结构　钢管混凝土拱　系杆拱桥分类号　U448.2

StudyonSpaceTrussBridgewithConcrete2Filled

SteelTubeArch

GaoRi　CuiGuocheng󰂍　LiuZhimin　JiangLanchao　WenYuping

(CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,NorthernJiaotongUniversity,Beijing100044)(ChangchunWaterConservancySurveyandDesignResearchInstitute󰂍,Changchun,130062)

Abstract　Anewtypeofbridgestructure2spacetrussbridgewithconcrete2filledsteeltubearchisadvancedinthispaper.Theconceptionisfirstusedtothedesignofahigh2waybridgewhichisof50mspanand10mwidth.Inaccordancewiththemechanicchar2acteristicsofspacetruss,concrete2filledsteeltubeandtied2archbridge,severaltopicssuchasstructurecomponents,mechanismofloadtransmition,analyticmethodandaes2theticsofthenewbridgestructurearediscussed.

Keywords　spacetruss　concrete2filledsteeltubearch　tied2archbridge

1　问题的提出

拱桥是桥梁工程中广泛使用的一种结构形式,拱桥形态优美,造价经济,承载潜力大.从受

力情况分析看,拱桥主要依靠拱肋承压来达到跨越目的,但随着跨径的增大,自重加大,特别是拱肋水平推力的增大使墩台工程庞大,限制了拱桥的发展.为解决巨大的水平推力由墩台承担这一难点,出现了系杆拱桥梁结构.

系杆拱桥是Langer(兰格尔)梁、Rohse(洛泽)梁和Nilson(泥尔森)梁的总称,属拱梁组合桥梁结构,是一种沿用已久的桥型.主要利用连接于两拱脚的系杆(或系梁)承受拱脚的水平推力,因而克服了拱桥推力对墩台及基础的不利作用,提高了跨越能力,减少了下部结构的工

本文收到日期1998212216　高日男1959年生副教授　emailbfxb@center.njtu.edu.cn

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35程量,可以认为是拱桥发展的一大突破.

为解决拱肋自重大的问题,人们把承压性能好的钢管混凝土材料用作拱肋,大大减少了拱的自重,取得了良好的技术效果和经济效果.所谓钢管混凝土,就是在薄壁钢管内填充混凝土,形成混凝土钢管共同工作的一种组合材料.其基本力学性能是:核心混凝土受到钢管的约束,即套箍作用,在承受轴压时发生的侧向膨胀量受到限制而处于三向受压状态,充分发挥了混凝土的抗压特性.由于钢管管壁受到了核心混凝土的约束,增加了管壁的局部稳定性,同时钢管又可以看成混凝土中的受力钢筋,兼有纵向主筋和横向箍筋的作用.因而钢管混凝土有着比普通钢筋混凝土大得多的承载能力和抗变形能力.将钢管混凝土用于拱桥也可以认为是一个突破.综上所述,钢管混凝土拱适合于拱肋的承压;系杆拱解决了拱的水平推力,两者结合所形成的钢管混凝土系杆拱桥在桥梁工程上的应用取得了明显的经济效益.但是,纵观已建成的系杆拱结构不难发现,它们沿用着传力体系、受力体系和联结体系分开考虑的模式.比如以桁架作为加劲梁的系杆拱桥,其系杆部分基本还遵循平面设计和平面传力机理原则,即桥面系只起到将车辆荷载传给主桁结点的作用.平面联结系只承受横向风力和传递纵向力到主桁结点,主桁用来承受竖向力,均不考虑三者的共同作用.按照这样的设计原则,固然有传力路线明确的好处,但所设计的系杆部分自然是很重的.材料没有得到充分利用.因此计算理论与结构形式都要求向空间发展.此外系杆拱桥的空间刚度较小是桥容易摇晃的原因.

2　网架系杆钢管混凝土拱组合桥

2.1　结构构思

随着科技的发展,桥梁的设计应符合:①外观简洁、美观;②组成一个使每一构件同时起不同作用的结构;③确定每个构件或元件的尺寸时应使其达到最优值;④充分发挥材料特性;⑤从平面计算过渡到空间计算;⑥便于施工和维护.根据空间网架结构、钢管混凝土结构以及系杆拱桥式的特点,构思了这种新的桥梁结构形式———网架系杆钢管混凝土拱组合桥.此组合桥由网架、吊杆和钢管混凝土拱肋组成,见图1.

结构构思的关键在于采用空间网架结构作为系杆拱的加劲梁,克服了传统的纵横梁系或平面梁系作为系杆拱的加劲梁以致不考虑系杆空间受力的不足之处.网架属于空间结构,在任何方向力的作用下,几乎所有的杆件都参与工作,无传力体系、受力体系和联结体系之分,且杆

图1　网架系杆钢管混凝土组合桥构造图

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件可设计成只受轴向力,材料可以得到充分利用;网架结构整体性能好,整体刚度大,抗震性

能好;结构组成有规律性,大量的杆件和结点的形状和尺寸相同,便于集成化生产、运输和安装,质量有保证;网架是高次超静定结构,整体受力均匀,即使有部分杆件出现塑性破坏,整个网架仍能安全工作,直至失去全部超静定次数;网架结构适用于各种跨度和宽度,且建筑造型轻巧美观.诸多优点使网架结构广泛且成功地适用于大型屋架结构.网架系杆钢管混凝土拱组合结构集网架与钢管混凝土的特点于一体,不仅有良好的力学性能,而且形式新颖,立体感强.从结构构成和受力机理分析,具有如下优点:

(1)网架的空间整体性能增加桥的整体刚度;吊杆对网架的弹性支撑增加了网架的空间支点,减少了网架结构的总体弯矩、剪力和挠度,使整个结构具有较大的跨越能力,减少或避免修建深水桥墩,并有利于通航.

(2)与一般的桁架桥相比,网架作为系杆(或系梁)更适合于宽桥面,这是由网架的块件受力性能所决定.桥面宽度较窄,不易发挥网架的空间受力性能;桥面宽度较宽时(尤其是公路桥),网架的空间性能及块件受力特点得以体现,并且增加了桥的横向刚度.

(3)网架为高次超静定结构,每根杆件可承担任何方向的力,整个结构受力均匀.与作为加劲梁的一般桁梁相比,梁高可减少,使加劲梁的造型轻巧美观,且能改善风载下的动力性能.

(4)拱肋使用了钢管混凝土材料,提高了极限承载力和极限变形值,减小了结构自重.

(5)钢管可用作施工模板,方便混凝土浇注,并能适应先进的泵灌混凝土工艺.施工过程中,钢管可作为劲性承重骨架,便于施工和安装.

(6)属于内部超静定外部静定的桥梁结构,拱肋产生的水平推力完全由网架承担,不产生对墩台的推力,与拱桥相比桥墩可变细,不但减少圬工量、少占桥下净空,而且增加美感.2.2　结构形式

同常见的系杆拱桥一样,网架系杆钢管混凝土拱可依据拱肋向桥轴线方向是否倾斜设计成平行拱肋式或提篮拱肋式两种.对于加劲梁系,可依据网架的结构形式设计成交叉桁架式或四角锥式.

(1)平行拱肋式　两片拱肋位于各自的与吊杆组成的竖平面内.吊杆只承受竖向力,不对网架或拱肋产生横向水平分力.因此全桥的竖向刚度大,横向刚度较弱,随着桥面宽度的减小,容易产生摇晃.为了追求桥梁美学效果,可以取消置于桥面上方的拱肋横撑,使整个桥显得更加秀丽挺拔,并克服过往车辆及行人的压抑感.但取消拱肋横撑后拱肋的侧倾稳定成为设计的关键问题.

(2)提篮拱肋式　两片拱肋向桥轴线方法倾斜,改变了平行拱肋式的力学图式,吊杆既提供竖向分力又提供水平分力.竖向分力对网架起弹性支撑作用,水平分力则对拱肋的侧向位移起约束作用.因此与平行拱肋式相比具有较大的侧倾稳定性,具有良好的施工稳定性及抗震性能.由于拱肋为空间曲线,其美学特性也是明显的.

(3)交叉桁架式网架系杆　由相互交叉的桁架平面组成,一般把斜腹杆设计成拉杆,竖杆设计成压杆.根据各平面桁架摆放形式的不同,可设计成两向正交正放网架、两向正交斜放网架、两向斜交斜放网架及三向网架等.

(4)四角锥网架系杆　上下弦均成正方形(或接近正方形)网格,并相互错开半格,使下弦网格的角点对准上弦网格的形心,再在上下弦结点间用腹杆连接起来,即形成四角锥网架体系.这种网架受力均匀,空间刚度好,是一种常见的网架结构形式.

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372.3　分析方法

该种桥梁结构的受力特点是网架承受荷载后通过吊杆传给拱肋,拱肋将力在支座处分解后将水平分量传回给网架,竖向分量传给墩台.从形式上看,可通过吊杆的调节将绝大部分恒载(竖向)由拱肋承担.但实际上拱肋又将由恒载产生的拱轴力的水平分量反馈给了网架.这并不意味着网架不承担恒载,而是以网架两端受拉的方式承担恒载的贡献.因此,设计的主要思路应该是拱肋和网架共同工作以承担全部恒载、活载、风载和地震荷载等.计算分析时应进行全桥整体分析.

对于网架系杆钢管混凝土拱这样的空间结构,采用基于空间杆系的有限元法进行计算:(1)拱轴线的选取　网架系杆钢管混凝土拱桥的恒载包括拱肋自重和桥面系自重,桥面恒载约占总荷载的85%,对于拱肋而言属于均布荷载,因此拱轴线可以近似取为抛物线.

(2)矢跨比的确定　矢跨比对系杆拱桥影响很大.矢跨比越小,拱肋就越扁,施加于系杆的拉力就越大,由活载引起的附加内力就越大.当拱肋上有横撑时还会对行人及过往车辆产生一种压抑感.因此矢跨比不宜用得过小,一般取1/5～1/6为宜.(3)圆形截面钢管混凝土极限承载力计算　由于钢管的套箍作用,钢管混凝土极限承载力随套箍指标的增长而增长.设钢管混凝土极限承载力相应于混凝土轴向受压承载力提高β倍,β=1+θ+θ,其中θ为套箍指标,θ=As・Fs/(Ac・Fc),As为钢管截面积,Fs为钢管设计强度,Ac为混凝土截面积,Fc为混凝土设计强度.为防止核心混凝土等级过高出现脆性破

θ≤坏或等级过低出现塑性变形,钢管混凝土的套箍指标要求013≤3.2.4　工程实例

长春市伊通河三号进岛桥采用了网架系杆钢管混凝土拱组合桥结构形式,是该种新型桥

梁结构首次用于工程实践.该桥设计条件为:桥跨50m,桥宽10m,双车道,汽—15设计,挂—80验算.

根据周边环境和城市桥梁美学的要求及技术条件,作了两个方案.方案1为平行拱肋式,方案2为提篮拱肋式.两个方案均采用正放四角锥网架结构作为加劲系杆.通过方案比选,最后采用提篮拱肋式结构形式.图2为提篮式网架系杆钢管混凝土拱组合桥的效果图.

图2　提篮式网架系杆钢管混凝土组合桥效果图

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3　结论

(1)网架系杆钢管混凝土拱组合桥是将网架这一受力合理的空间结构与承压性能好的钢

管混凝土拱结合起来的完全新型的桥梁结构形式.具有良好的整体性、抗震性及几何适应性,

便于工业化批量生产、储藏、装卸、运输与施工.其造型美观,结构轻盈,有美学欣赏价值.

(2)网架系杆成功地利用了系杆拱桥的传力机理.吊杆作为中间弹性支撑,发挥了网架结构的块体受力性能,同时拱肋的水平推力又由网架承担而不传给墩台.网架的杆件可设计成只受轴力,这样材料的强度可得到充分的利用.

(3)利用钢管混凝土作为承压拱肋,与普通钢筋混凝土相比,截面减小,自重减小,并具有良好的承载力,有利于向大跨度发展.

参考文献

1　小西一郎.钢桥.北京:人民铁道出版社,1981.

2　钟善桐.钢管混凝土结构.哈尔滨:黑龙江科学技术出版社,1994.

3　肖帜,马少华,王伟成.空间结构设计与施工.南京:东南大学出版社,1993.

(责任编辑　王尚韵)

(上接25页)

加固后检算结果如下(跨中截面):使用荷载情况下,混凝土下缘应力σh=0.46MPa(压),

jΔN=132.1kN,σσy=σye+Δy=1025MPa,<0.6Ry=1060MPa,满足要求.破坏阶段受压

区高度x=21.6cm,强度安全系数K=2.01>2,满足要求.

5　结语

体外索加固铁路混凝土简支梁,具有加固、卸载及减小结构内力的三重效果.该法概念明确、切实可行,是一种值得推广的旧桥加固技术,但仍需对体外索的极限应力、转向块的合理构造、体外索的疲劳及防护等问题进行进一步的研究.

参考文献

1　车惠民,邵厚坤,李霄萍.部分预应力混凝土———理论・设计・工程实践.成都:西南交通大学出版社,1992.2　铁道部第三勘测设计院主编1铁路桥涵设计规范(TBJ-85).北京:中国铁道出版社,1986.3　周履,陈永春.收缩徐变.北京:中国铁道出版社,1994.

4　卢文良.预应力体外索加固既有铁路桥梁.铁道标准设计,1997,(10):4～5

(责任编辑　王尚韵)

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