强梁弱拱公路连续梁拱组合桥设计研究

收稿日期：2023-11-22

作者简介：朱鸿欣（1972—），男，湖北武汉人，硕士研究生，高级工程师，研究方向：桥梁设计。

摘 要：对一座采用“强梁弱拱”的公路连续梁拱组合桥开展研究，对该桥的拱、梁结构在施工过程中及通车运营后的受力、变形特点进行了分析，归纳总结拱、梁结构的构造尺寸、截面特性值的差异与其承担的荷载作用之间的关系，分析结果用来指导该桥的设计，从而达到结构安全、经济、可行的设计目标。

关键词：连续梁拱组合桥；强梁弱拱；公路桥；拱肋；吊杆；主梁

中图分类号：U442.5                                 文献标识码：A                               文章编号：2096-6903（2024）03-0007-03

1桥梁概况

某跨越黄河大桥桥位处河宽210 m，IV级航道。管理部门要求河中桥墩数≤2个，通航孔跨径≥150 m。该桥桥面布置双向4车道并设非机动车道和人行道，设计荷载为公路I级。主桥为（80+150+80）m连续梁拱组合桥，中跨为下承式梁拱组合结构。本桥道路竖向设计受限于3个要求：①桥下通航净高要求≥8 m。②主桥南端无引桥，要求与河堤顶部道路平交。③最大纵坡要求≤3%，须严格控制中跨梁高。

本桥施工受限于两点：①桥位周边建筑密集，施工场地狭窄，难以采用悬拼法或转体法建造拱结构。②对河道通航及行洪要求高，施工期间不能大量占用水域面积，不宜采用支架法建造拱结构或梁结构。

最终采用的施工方案为：悬浇法完成（80+150+80）m连续梁施工。连续梁成桥后，在中跨桥面上搭设支架装配钢管拱肋。完成拱肋、吊杆安装，施工桥面附属结构。连续梁先行成桥，独自承担梁自重以及建造拱肋时的施工荷载，后期安装完成的拱结构则承担部分桥面附属结构恒载（二期恒载）及汽车等活载。

2设计研究

2.1 模型建立

本桥横向宽度较大，故主梁采用单箱多室整体箱型截面，其刚度及体量均大于常规公路梁拱组合桥中的系梁。

梁拱组合体系中，二期恒载及汽车等活载均直接作用于主梁，再通过主梁竖向变形及吊杆的轴向拉伸传递给拱肋，拱肋的刚度、吊杆的截面积都会影响其参与受力的程度，为此建立有限元模型计算分析当拱肋刚度、吊杆面积不同时，主梁内力的变化。拱肋采用钢管混凝土，吊杆采用高强镀锌钢丝拉索。拱肋线形为悬链线，矢跨比1：5。表1中模型1的结构参数根据工程经验值拟定，作为比较的基准参数。模型2、3在模型1基础上增大不同倍数。

2.2 计算分析

在各项荷载作用下，不同模型中的主梁内力及变形均存在差异，并呈现一定变化规律。

2.2.1 二期恒载

当全桥作用200 kN/m的二期恒载时，不同模型中主梁截面内力及变形如表2～4所示。

当拱肋惯性矩和吊杆面积增加时，有以下6点发现：①表2显示中跨各截面弯矩减少幅度较大，最多可减少52%（1/2中跨处）。②表3显示中跨各截面剪力减少程度不及弯矩，剪力最多减少21%（1/4中跨处）。③表4显示中跨各截面竖向挠度明显减小，最多可减少60%（1/2中跨处）。④表5显示边跨各截面的正弯矩增加，1/2边跨处正弯矩可增加66%。同时截面的负弯矩减少，3/4边跨处负弯矩减少26%。⑤表6显示边跨各截面剪力略有减小，最多减少10%。⑥表7显示边跨各截面竖向挠度增加显著，1/2边跨处增加38%。

可见拱肋惯性矩和吊杆面积的变化，主要引起主梁中跨内力及竖向挠度变化，进而通过结构变形的连续性影响到边跨，边跨内力和挠度的变化程度相对偏低。

2.2.2汽车荷载

本桥汽车荷载采用公路-I级，是成桥后的主要荷载，在其作用下不同模型中主梁截面内力及变形如表8～10所示。

表8显示，汽车荷载作用下，不同模型主梁中跨内各截面弯矩的变化相对较小。如1/2中跨处正弯矩最多减少38%， 中支点负弯矩仅减少8%。表9显示，拱肋惯性矩和吊杆面积的变化对主梁中跨截面剪力的影响很小。如1/4中跨处剪力减少4%（模型2）～16%（模型3），中支点处仅减小0.3%（模型2）～2%（模型3）。表10显示，拱肋惯性矩和吊杆面积的增加明显减小主梁中跨的挠度。在1/4中跨处挠度减小16%（模型2）～40%（模型3），在1/2中跨处挠度减小36%（模型2）～65%（模型3）。

表11中，将模型2、3对比模型1发现：近梁端处截面（1/4、1/2边跨）最大正弯矩值变化不大，而最大负弯矩值减小较多。近中支点处截面（1/4、1/2边跨）最大正、负弯矩值变化幅度较小。

表12中，将模型2、3对比模型1发现：各截面剪力值变化较小，且近梁端处截面（1/4、1/2边跨）减小，近中支点处截面（1/4、1/2边跨）增加。

表13显示，不同模型中边跨内各截面挠度值变化很小。

2.3 设计成果

分析结果显示，在连续梁中跨增设拱结构，随着拱肋截面惯性矩和吊杆面积增加，其承担的荷载也增大，对主梁中跨各截面的内力及变形的改善效果更明显，但是继续增大拱结构参数并没有同比例地增加其承担的荷载。

本桥设计中首先要求主梁必须具备一定的强度和刚度，以保证施工期间的结构安全。其次中跨增加的拱结构能够满足主梁梁高较小的情况下，主梁各截面内力及挠度满足要求即可。

与连续梁桥方案相比，本桥采用梁拱组合桥后，二期恒载作用下，主梁中跨跨中截面的最大正弯矩减少62%，中支点截面最大负弯矩减少46%，中跨跨中挠度减少73%，边跨负弯矩区段缩短且数值减少，边跨挠度方向改变且数值减小。具体如图2、图3所示。

采用梁拱组合桥后，汽车荷载作用下，主梁中跨跨中截面的最大正弯矩减少60%，边跨跨内最大正弯矩减少33%，同时中支点截面最大负弯矩减少47%。中跨跨中挠度减少79%，边跨跨内最大挠度减少47%。具体如图4、图5、图6所示。

3结束语

连续梁拱组合桥的设计，需要明确梁、拱在组合体系中的作用大小，其由梁、拱结构的力学性能参数、参与受力的阶段决定。要遵循安全经济的原则，经过试算、比选才能合理地确定主梁、拱肋、吊杆等构件的性能参数。

参考文献

[1] 謝大鹏，胡国伟.高速铁路大跨度梁拱组合桥钢管拱原位拼装方案设计研究[J].高速铁路技术，2014，5（3）：100-104.

[2] 曹进.高速铁路连续梁拱组合桥拱部施工技术研究[J].铁道建筑，2014（3）：24-26.