林來玉，俞 超，陳健圣

（上海新暢園林市政建筑工程有限公司，上海市 201204）

0 引言

拱橋在中國歷史悠久，由于其結(jié)構(gòu)形式多樣、造型美觀、剛度較大等特點，長期以來一直是主要橋型之一。即使在橋型選擇日益豐富的近30年大建設(shè)時期，拱橋在中國仍有大量修建，并在設(shè)計、施工等方面取得了舉世矚目的成績。按照主拱的建筑材料劃分的四類拱橋的跨徑紀(jì)錄均在中國，分別是主跨徑146 m的山西丹河新橋（石拱橋）、主跨徑420 m的萬州（縣）長江大橋（鋼筋混凝土拱橋）、主跨徑460 m的巫峽長江大橋（鋼管混凝土拱橋）和主跨徑552 m的重慶朝天門大橋（鋼拱橋）。在拱橋施工技術(shù)方面，世界上各種拱橋施工方法在中國幾乎均有應(yīng)用，其中水平轉(zhuǎn)體施工、大跨徑和大噸位的懸臂拼裝等技術(shù)為中國特有的施工技術(shù)[1～2]。隨著社會發(fā)展與橋梁技術(shù)水平的提高，曾經(jīng)是主要橋型的石拱橋日益減少，鋼拱橋、鋼管混凝土拱橋和混凝土拱橋（包括鋼筋混凝土拱橋和預(yù)應(yīng)力混凝土拱橋）已成為中國近幾十年來的三大主要橋型。

本文介紹的樣本橋梁為大跨度中承式跨運河的鋼拱橋，由主拱、主梁、鋼螺桿、吊桿幾部分組成，跨徑布置為（30+25+210+25+30）m，主橋立面布置圖如圖1所示。主跨分為主次梁，形成縱橫平面梁格，邊跨為整體正交異性鋼箱梁。由于邊跨上拔力較大，此處設(shè)鋼螺桿，邊跨箱梁內(nèi)部灌有混凝土起到壓重作用[3～5]。主跨跨度較長，邊跨較短，邊跨的上撓比較大，此處的鋼螺桿起到了關(guān)鍵作用，因此也成為全橋的生命線。本文主要通過對復(fù)雜鋼拱橋的介紹，分析鋼螺桿的作用，為此類橋梁的建造提供技術(shù)支撐。

圖1 橋梁布置圖（單位：m）

1 鋼螺桿結(jié)構(gòu)

大橋的鋼螺桿采用箱型截面，螺桿的鋼板厚度為120 mm，兩側(cè)各設(shè)置四道，位于主次梁的位置，其端部采用銷鉸構(gòu)造與梁體及基礎(chǔ)預(yù)埋鋼板連接，用來承受軸向拉力和壓力。螺桿處基礎(chǔ)采用承臺加抗拉拔樁形式，螺桿樁基擬每樁在合適的土層處采用多支盤護(hù)孔樁加強(qiáng)其抗拔力，在相應(yīng)承臺基礎(chǔ)內(nèi)設(shè)置PBL剪力鍵埋入式柱腳構(gòu)造，以利傳遞較大的拉力及剪力。鋼螺桿的結(jié)構(gòu)構(gòu)造如圖2所示。

根據(jù)螺桿構(gòu)造圖，按照鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范的穩(wěn)定計算得到，鋼螺桿的最大抗拉能力為1 000 t，最大抗壓能力為700 t。

2 計算模型

根據(jù)設(shè)計圖紙和相關(guān)參數(shù)，采用有限元軟件Midas/Civil建立的全橋計算模型，如圖3所示。計算模型共有2 420個節(jié)點、3 430個單元，主拱和主梁固結(jié)。鋼螺桿上端與主梁共節(jié)點，下端6個自由度全部固定。斜撐頂節(jié)點與主梁剛性連接，斜撐底和拱腳底共節(jié)點。大橋一側(cè)拱腳固結(jié)，另一側(cè)拱腳釋放縱橋向約束。

圖2 鋼螺桿構(gòu)造圖（單位：mm）

圖3 計算模型圖

3 鋼螺桿作用分析

大橋采用了大噸位鋼螺桿結(jié)構(gòu)，這種特殊結(jié)構(gòu)的受力性能將直接影響全橋的受力性能。本文通過建立兩種受力狀態(tài)，即橋梁不設(shè)置螺桿和橋梁設(shè)置四根螺桿，來分析鋼拱橋鋼螺桿的作用。

3.1 防止邊跨出現(xiàn)負(fù)反力

通過模型計算結(jié)果可知，當(dāng)橋梁設(shè)置鋼螺桿時，在一次成橋狀態(tài)下，邊跨外側(cè)支座反力為111 t，內(nèi)側(cè)支座反力為194.9 t，均受壓；當(dāng)橋梁不設(shè)置螺桿時，在一次成橋狀態(tài)下邊跨外側(cè)支座反力為23.6 t（受壓），內(nèi)側(cè)支反力為-24.5 t（受拉）。由此可見，在橋梁設(shè)計荷載作用下，邊跨將出現(xiàn)較大的負(fù)反力，常規(guī)的抗拉支座難以實現(xiàn)，所以需要在邊跨設(shè)置螺桿來承受支座負(fù)反力。

3.2 降低斜撐頂附近的主梁彎矩

通過模型計算得到一次成橋狀態(tài)下斜撐頂附近的主梁彎矩，如圖4所示。

圖4 兩種受力狀態(tài)下斜撐頂附近主梁彎矩（單位：kN·m）

由圖4可知，在兩種受力狀態(tài)下，設(shè)置螺桿和不設(shè)置螺桿斜撐頂附近主梁彎矩Mx和Mz數(shù)值較小且接近，但是不設(shè)置螺桿時主梁的彎矩My比設(shè)置螺桿時要大很多，所以設(shè)置螺桿可以有效的降低斜撐頂附近的主梁彎矩。

3.3 提高全橋整體穩(wěn)定性

全橋成橋階段整體彈性穩(wěn)定分析共考慮恒載和恒載+風(fēng)荷載兩種工況。橋梁設(shè)置螺桿和不設(shè)置螺桿狀態(tài)下兩種工況的失穩(wěn)模態(tài)和穩(wěn)定系數(shù)見表1。橋梁設(shè)置螺桿和不設(shè)置螺桿狀態(tài)下兩種工況的一階失穩(wěn)圖如圖5～8所示。

表1 兩種狀態(tài)下兩種工況的失穩(wěn)模態(tài)和失穩(wěn)系數(shù)

圖5 不設(shè)置螺桿時恒載全橋一階失穩(wěn)圖

圖6 設(shè)置螺桿時恒載全橋一階失穩(wěn)圖

圖7 不設(shè)置螺桿時恒載+風(fēng)荷載全橋一階失穩(wěn)圖

圖8 設(shè)置螺桿時恒載+風(fēng)荷載全橋一階失穩(wěn)圖

由表1和圖5～8可知，當(dāng)設(shè)置螺桿時全橋整體彈性穩(wěn)定性增強(qiáng)，穩(wěn)定系數(shù)提高。因為主拱和主梁固結(jié)，主拱的穩(wěn)定就要求主梁的扭轉(zhuǎn)角度很小。設(shè)置螺桿時可以約束主梁的扭轉(zhuǎn)，從而提高全橋的整體穩(wěn)定性。

4 螺桿處于不同位置對全橋受力的影響

在一次成橋狀態(tài)下，螺桿的位置對全橋受力的影響共考慮三種工況：

（1）設(shè)計位置外移2.1 m；（2）原設(shè)計位置；

（3）設(shè)計位置內(nèi)移3 m。

4.1 三種工況各受力構(gòu)件應(yīng)力對比

三種工況下拱肋、拱間橫連、拱腳拱箱、主次縱梁和斜撐的應(yīng)力見表2。

表2 三種狀況下各受力構(gòu)件應(yīng)力包絡(luò)表 MPa

由表2可以看出螺桿處于不同位置時對橋梁各構(gòu)件的應(yīng)力的影響。當(dāng)螺桿布置得與斜撐靠近，拱肋、拱間橫連和主次縱梁的應(yīng)力就越低，拱腳拱箱和邊斜撐的應(yīng)力就會增加；而中斜撐的應(yīng)力最大值增加，應(yīng)力最小值降低。螺桿布置得太近，拱腳拱箱和邊斜撐在強(qiáng)度設(shè)計上便難以滿足規(guī)范要求，而且構(gòu)造上沒有足夠的空間，不易實現(xiàn)；當(dāng)螺桿布置得太遠(yuǎn)，拱肋、拱間橫連和主次縱梁的應(yīng)力增加較多，用鋼量就越大，橋梁的自重就越大。

4.2 三種工況螺桿內(nèi)力對比

根據(jù)模型的計算結(jié)果，三種工況下螺桿內(nèi)力如圖9所示。

圖9 三種工況下螺桿內(nèi)力圖（單位：kN）

由圖9可以看出，當(dāng)螺桿布置與斜撐越近，螺桿所起的作用就越直接，螺桿力越大。

4.3 三種工況吊桿力對比

通過模型計算得到三種工況下的吊桿力的最大值與最小值，見表3。

表3 三種狀況下吊桿力極值 kN

由表3可知，當(dāng)螺桿布置與斜撐越近，吊桿力越小。三種工況下吊桿力的最大值和最小值都比較接近，但是由模型結(jié)果得到第1種工況與第2種工況吊桿力的最大差值為7.6 kN，第3種工況與第2種工況吊桿力的最大差值為12.2 kN。

5 結(jié)語

（1）該橋邊跨相對主跨較小，在邊墩會出現(xiàn)很大的支座負(fù)反力，特設(shè)置螺桿墩位來防止邊跨負(fù)反力的出現(xiàn)。

（2）該橋在設(shè)計荷載作用下斜撐結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生巨大的反力，從而導(dǎo)致斜撐頂位置的主梁產(chǎn)生較大彎矩。為降低該彎矩，可在斜撐頂附近主次縱梁對應(yīng)的位置設(shè)置鋼螺桿。

（3）該橋的整體穩(wěn)定是該工程的一個控制問題，其主拱穩(wěn)定是靠主拱與主梁的螺桿。主拱的穩(wěn)定要求主梁的扭轉(zhuǎn)角度很小，因此，橫橋向布置的四個螺桿是該橋穩(wěn)定的關(guān)鍵點。

（4）螺桿的布置是設(shè)計時需要考慮的問題。當(dāng)螺桿布置得靠近斜撐，拱肋、拱間橫連和主次縱梁的應(yīng)力就有所降低，拱腳拱箱和邊斜撐的應(yīng)力就會增加；而中斜撐的應(yīng)力最大值增加，應(yīng)力最小值降低。螺桿布置得太近，拱腳拱箱和邊斜撐在強(qiáng)度設(shè)計上就難以滿足規(guī)范要求，而且構(gòu)造上沒有足夠的空間，不易實現(xiàn)；當(dāng)螺桿布置得太遠(yuǎn)，拱肋、拱間橫連和主次縱梁的應(yīng)力增加較多，用鋼量就越大，橋梁的自重就越大，應(yīng)力增加快，容易陷入增大截面尺寸，自重增大，應(yīng)力難以下降的循環(huán)中，所以螺桿處于不同位置對橋梁受力有很大影響。

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