大跨度中承式钢桁架拱桥初步设计的体系优化.pdf

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第32卷，第6期2007年12月公路工程HighwayEngineeringVo132No6Dec，2007大跨度中承式钢桁架拱桥初步设计的体系优化程斌，吴斌暄，庄冬利，肖汝诚（同济大学桥梁工程系，上海200092）摘要以天津国泰桥为工程背景，重点介绍了大跨度中承式钢桁架拱桥在初步设计阶段进行体系优化的关键问题，并就优化方案的支承约束布置、构造措施以及施工方法进行了探讨。

对于中承式钢桁架拱桥，三跨连续铰支的无推力体系比单跨固支的有推力体系在基础、拱肋、桥面系等方面均具有力学性能优势和经济优势，是中承式钢桁架拱桥的首选。

关键词大跨度；中承式钢桁架拱桥；无推力体系；支承约束布置；体系优化中图分类号U448224文献标识码B文章编号10021205（2007）060l1005SystemOptimizationofLongspanHalf-throughSteelTrussArchBridgeinPreliminaryDesignStageCHENGBin，WUBinxuan，ZHUANGDongli，XIAORucheng（DepartmentofBridgeEngineering，TongjiUniversity，Shanghai200092，China）Keywordslongspan；half-throughsteeltrussarchbridge；systemwithoutthrust；supportrestrictionlayout；systemoptimization钢桁架拱桥具有外形美观、刚度大、稳定性好、用钢量小、跨越能力较大等优点。

已建和在建的钢桁架拱桥，国外主要有澳大利亚的悉尼港湾桥（主跨503m）、美国俄勒冈州的弗里芒特桥（主跨383m）以及韩国首尔的傍花大桥（主跨540m），国内的代表是九江长江大桥（主跨216m）、万州长江大桥（主跨360m）和重庆朝天门大桥（主跨552m）。

随着桥梁向大跨度方向的发展，以及人们对桥梁造型提出更高的要求，钢桁架拱桥正逐渐成为100600m跨径范围内颇具竞争力的桥型。

本文以天津海河上的首座钢桁架拱桥国泰桥为背景，重点介绍该类桥在初步设计阶段进行体系优化的有关问题。

1工程背景国泰桥为城市主干道，设计车道数为双向四车道，设计车速为50kmh，行车道设计荷载为城一A级，非机动车道及人行道人群荷载标准值为35kNm。

设计通航水位15m，通航等级为六级。

主桥标准横断面宽度为315m。

两片平行的钢桁架拱肋横向间距为245m，采用变高度N形桁架，高度由支点处的1866m变化至跨中的4m。

拱肋桁架上、下弦拱轴线采用不同的二次抛物线。

主桥两端设置四个桥头堡，便于行人通过堡内楼梯上至桥面人行道过河，或上至拱上走道观光游览。

拱肋之间用K字型纵向平联连接。

拱肋弦杆采用箱形断面，普通腹杆为工字型断面，拱脚附近的加强腹杆采用箱形断面，纵平联均为工字型断面。

系梁为箱形断面，桥面采用正交异性钢桥面板，75mm厚沥青混凝土铺装，桥面荷载通过小纵梁和横梁传至系梁。

吊杆采用单根PE护层高强钢丝索，全桥共30根，吊杆间距8m，吊杆长度5423m。

主桥结构钢材选用Q345qD，有效减小用钢量和结构自重，并保证结构低温时受冲击荷载作用的抗裂安全性。

拱上走道等辅助结构采用Q235钢。

除拱肋的腹杆与弦杆、平联与弦杆、平联与平联之间通过高强螺栓连接外，拱肋杆件和桥面系均采用焊接连接。

国泰桥初步设计的原方案（方案一）由国外设计单位提出，主桥结构采用桁式拱肋钢主梁的单跨收稿日期20061228。

作者简介程斌（1979一），男，江西横峰人，博士研究生，工程师，主要从事大跨度桥梁结构理论研究。

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/第6期程斌，等：

大跨度中承式钢桁架拱桥初步设计的体系优化中承式固端拱桥。

主拱圈单跨跨径148m，矢高30749m，矢跨比1481。

通过在系梁内设置水平拉索来平衡拱结构产生的水平推力。

方案一体系简图见图1。

图1方案一体系简图在对方案一进行深入分析和研究的基础上，提出了优化方案二。

方案二充分保留了原方案的桥型、造型、景观、功能，将主桥改为三跨连续结构，桥跨组合为13m+146m+13m，主跨拱圈矢高29924m，矢跨比1488。

拱肋下弦的约束形式由固端改为铰支，上弦端部约束取消。

取消系梁内拉索，利用系梁自身的抗拉能力来平衡拱结构的水平推力。

方案二体系简图见图2，全景图见图3。

量而萎：

I9：

UtoIb8l00X864000I8000X8640009OPOl13odo146。

00013obo图2方案二体系简图2结构体系比对图3国泰桥全景图21支承约束原方案采用固端拱桥，为有推力体系，且局部杆件弯矩很大，拱脚约束改为铰支后，不但释放了拱肋下弦的巨大弯矩，还使整体结构无论是恒载情况，还是在活载和温度荷载作用下，都彻底变成了无推力体系，这对软土地基上的拱桥来说是至关重要的。

22基础原方案的桥头建筑承担对拱肋上弦的约束，其基础与主桥基础合并设计，在桥头建筑偏心荷载作用下，承台基础内力分布不明确。

在施工阶段，可通过不断调整设置在系梁内的水平拉索索力，使得拱肋上弦锚固于桥头建筑产生的拉力与拱肋下弦对拱座基础的推力互相平衡，这样能保证基础底面在恒载状态下无推力，但成桥之后的活载和温度荷载都会对基础产生很大的水平推力，且该水平推力和拱肋支点处的竖向反力都会对基础底面形成弯矩作用，这将直接导致基础工程投资的大幅增加，同时在技术上对基础的设计也是非常不利的。

方案二将拱脚约束设为铰支后，彻底释放了所有工况下的水平推力，基础仅受轴向压力，设计简单、安全，非常适合天津地区的软土地基。

同时，取消了桥头建筑对拱肋结构的约束之后，桥头建筑基础与主桥基础分离设计，受力明确。

对比计算表明，方案一承台混凝土用量为7645m，采用55m长的18m直径钻孔灌注桩共64根（混凝土用量9975m），而方案二承台混凝土用量仅为4280m，节约44，且采用53m和54m长的15m直径钻孔灌注桩各32和34根（混凝土用量7098m，节约29）。

可见，方案二在基础造价方面的优势是非常显著的。

23拱肋方案二在主跨基本不变的情况下，将单跨主桥改为三跨连续结构，同时将主桥结构和桥梁建筑脱离，使得拱肋结构的传力路径明确平顺，受力趋于合理，轴力分布更加均匀，且拱肋杆件的局部弯矩也大幅减小。

经过计算优化，可将原方案拱脚处由于弯矩过大而设置的3根加强下弦杆件取消，按一般下弦断面即可满足应力要求，但方案二中支点处的拱维普资讯http:

/112公路工程32卷肋三角区由于受力复杂，需将相应的腹杆加强，且在中支点和边支点之间需增设1根强斜撑。

综合来看，两个方案在拱肋造价上区别不大。

24系杆和桥面系原方案为有推力体系，为了减小温度效应的影响，桥面系在靠近拱肋下弦交点的部位设置了2道伸缩缝，这样，只有通过在每侧系梁内设置4根32束的平行钢绞线水平拉索，以平衡拱结构的水平推力。

方案二为无推力体系，温度效应可直接释放，主桥桥面系无需设置伸缩缝，可直接利用系梁的受拉来发挥系杆的作用。

对比计算表明，在不改变系梁断面大小的情况下，方案二充分利用了系梁的抗拉强度，节约了水平拉索的造价，更具经济优势。

原方案的桥面系伸缩缝设置在拱一梁节点的河内侧，拱一梁节点之间的系梁搁置在拱梁节点的外伸牛腿上。

同时，水平拉索必须穿越伸缩缝，构造要求高，施工难度大，且主桥伸缩缝的设置还影响了车辆通行的平顺程度和舒适性。

方案二则成功解决了这个难题。

25桥头建筑桥头建筑是国泰桥整体造型的点睛之笔，也是人行过河的通道。

原方案采用了混凝土剪力墙结构，为了平衡桥头建筑底部由于拱肋上弦水平拉力产生的弯矩，需在1m宽度范围内的混凝土内布置大量预应力钢束，同时还需进行上弦杆件在桥头建筑内的抗拔设计和下弦杆件在桥头建筑内的抗弯锚固设计。

方案二保持桥头建筑外形不变，取消桥头建筑对拱肋上弦的约束，并取消竖向预应力。

同时，为实现桥头建筑与主桥结构的脱离，将桥面以下主梁宽度（1m）范围内的剪力墙取消，桥面以上则改为内空的混凝土悬挑结构，成桥后将桥面以下的边跨结构用外装饰覆盖。

两种方案的桥头建筑造型一致，但和原方案相比，方案二具有无须设置竖向预应力、自重小、弦杆锚固要求低等优点。

两个方案的优缺点汇总见表1。

3结构力学性能本工程总体静力分析采用同济大学桥梁工程系BAP程序（平面模型）和韩国MIDASCivil程序（空间模型），按一次落架成桥设计计算。

空间模型中，吊杆、水平拉索以只能承受轴向力的桁架单元模拟，拱肋、系梁、腹杆、横梁、平联以梁单元模拟，钢桥面板以四节点薄板单元模拟。

计算结果详见表2。

表1不同方案的结构体系对比对比项目方案一方案二结构体系中承式单跨拱桥中承式三跨连续拱桥支承约束拱脚固定，有推力拱脚铰支，无推力基础受力竖向力+水平力+弯矩仅竖向力拱肋譬需平顺拱脚处篱霁三辜姜系梁内设置水平拉索系梁自身承担桥面系主桥伸缩缝影响行车舒适主桥无伸缩缝桥头建筑乏量大须设置竖向预量小无须设置竖向预刀碰刀技术难度大小安全性有安全隐患好投资规模较大较小比较结论不推荐推荐表2不同方案的结构静力计算结果注：

各项指标单位为力，kN；弯矩，kNnl；应力。

MPa；长度，mm；时间，s；轴力拉正压负；方案一支点反力的括号内数值为上弦铰支点反力。

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/第6期程斌，等：

大跨度中承式钢桁架拱桥初步设计的体系优化ll3荷载组合一为恒载+活载，组合二为恒载+活载+温变荷载+风荷载。

31结构刚度在荷载、跨度以及构件尺寸等参数基本不变的情况下，方案二在活载作用下的跨中挠度比方案一增大43，可见无推力体系的结构刚度相比于有推力体系是较小的。

但方案二的活载挠跨比为13120，大大满足规范的1800要求。

结构刚度的降低在某种程度上对抗震设计是有利的。

32支座反力支座反力控制基础结构和支座的设计，对比如下：

中支点（或拱脚）竖向反力。

恒、活载作用下，方案二比方案一大15左右，主要是因为方案二的荷载加载面稍大的缘故。

但在考虑温变的荷载组合二中，方案一大于方案二。

考虑最不利组合，方案二有优势。

中支点（或拱脚）水平反力。

方案一中，拱结构产生的拱脚水平推力和上弦水平拉力的最大值分别达到13655kN和15322kN，传至主桥基础顶面的最大水平力和弯矩分别为17699kN和303986kNm。

方案二由于是无推力体系，恒载下几乎不产生水平反力，最不利组合下也仅在限制纵向变位的两个支点产生最大为1468kN的水平反力，远小于方案一。

中支点（或拱脚）弯矩。

方案一的拱脚最大弯矩达10016kNm，对拱脚基础的设计非常不利，而方案二采用三跨铰支的无推力体系，上部结构对基础不产生弯矩。

边支点竖向反力。

方案二由于边跨与中跨比较小，设计计算时考虑采用引桥自重作为主桥边支点的永久压重，解决恒载作用下边支点可能产生向上负反力的问题。

33杆件最大内力通过对两种方案的拱肋杆件最大内力对比可以发现，拱肋腹杆的最大轴力差别不大，对腹杆设计不起控制作用。

但对于方案二，拱肋弦杆的最大轴力减小了23，拱脚下弦的最大弯矩则仅为方案一的15，这大大改善拱脚部位三角区的弦杆受力状态，并有利于杆件断面的优化设计。

在不改变系梁断面的情况下，两种方案的系梁断面最大应力值略有区别，但均小于155MPa，可见方案二利用系梁的抗拉能力来平衡拱结构的水平推力是合理有效的。

34静力稳定从表2可以看出，方案二的结构静力稳定性不如方案一，前者在成桥恒载状态下的前四阶静力稳定系数值为后者的0408倍，但其值控制在1622范围内，同样很好的满足了规范的要求。

4构造与施工41构造措施桥梁结构设计中，正确合理的构造措施是结构按照设计人员的预期进行工作的保证，也是计算模式有效和计算结果准确的前提条件。

构造措施应处于和设计计算同等重要的地位，在初步设计阶段就应加以重视。

拱桁节点。

钢桁架拱桥中，节点采用的形式主要有拼装节点和整体节点两种。

传统的拼装节点中，节点板作为外拼接板，与弦杆内拼接板一道将相邻的弦杆通过螺栓拼接起来，并将腹杆栓接起来。

而整体节点采用将弦杆连同节点焊接为一个整体的方法，使节点板成为杆件的一部分，工厂制作好之后，进行节点外的现场拼接、。

两种节点形式的详细比较见表3表3两种节点形式的比较通过比较分析两种形式节点的优缺点，结合工程实际情况，国泰桥主桁拱采用了整体节点、节点外拼接技术。

关键锚固区。

本工程中，拱一梁结合区、拱脚结合区、斜撑一系梁一端立柱结合区、拉索锚固区等节点均为关键受力点。

这些节点锚固区不但受力重要，更由于构造复杂、工艺要求高，若分析、构造、加工、安装等环节处理不好，将会危及整个桥梁的安全，造成巨大损维普资讯http:

/114公路工程32卷失。

因此，鉴于这些关键锚固区的安全重要性、施工不可逆性和损失不可挽救性，应当引起特别的重视，进行重点研究、分析，确保工程的安全可靠。

42施工方法大跨度拱桥的施工方案主要有满堂支架施工法、转体施工法、缆索吊机安装法和拱上吊机拼装法。

结合本工程实际，可供选择的施工方法只有缆索吊机和拱上吊机2种。

因此在初步设计阶段，对这两种方法进行了比较分析。

缆索吊机安装。

缆索吊装施工方法的特点是吊机安装、拆卸比较方便，对山区不利地形的适应能力强，适用于多种拼装方式，且对拱和梁的运输方式和地点限制少。

由于缆索吊机具有独立的锚固系统，对主体结构的附加荷载小，有利于主体结构的受力。

但是，缆索吊机主塔多数情况下同时也作为临时索塔，不仅造成主塔的受力复杂，吊机起吊时主塔产生的变形还将通过临时扣索影响到主体结构的变形，这对全桥的施工线形和内力的控制是很不利的。

此外，缆索吊装过程中起吊构件的稳定性相对较差，且当吊重和吊幅均较大时，吊机结构自身重量增加较大，对吊机主塔的稳定要求也较高。

拱上吊机拼装。

拱上吊机主要分为步履式和移动式，由千斤顶或卷扬机牵引行走，通过后平衡装置保持稳定，并逐节段安装外伸。

起吊安装时，吊机与主体结构锚固，结构稳定性好，有利于构件的准确定位和安装。

吊机的起吊重量、起吊速度、最大悬臂长度等根据主体结构的形式以及施工单位的经验和习惯决定。

该设备结构轻巧，加工制造和安装较简单，施工操作较方便，已经在铁路钢桁梁桥的施工中广泛应用。

需要指出的是，当吊重和吊幅均较大时，吊机的自身重量相应较大，主跨的不对称荷载将加大主跨的挠度，影响主体结构的稳定性，同时使得临时扣塔的受力加大。

此外，吊机在主体结构上锚固、移动、调节等所需的构造措施将造成永久结构工程数量的增加。

拱上吊机的存在也将造成合龙时施工措施的增多，增加了合龙费用。

国泰桥原方案采用的是缆索吊机安装法，方案二经体系优化后，考虑边跨结构、桥头建筑等因素的影响，改用拱上吊机拼装法，可较大限度满足本工程施工的误差控制和安全要求。

具体施工顺序如下：

主桥基础及桥头建筑下部结构施工；搭设万能杆件塔架，安装边跨桥面系；悬臂挂扣法进行钢桁架拱肋施工，张拉并调整施工临时索；拱肋合龙，拆除扣索、背索和塔架；安装吊杆、系梁和横梁；第一次张拉吊杆，系梁合龙；放松施工临时索；安装纵梁和钢桥面板；第二次张拉吊杆，桥面铺装，主桥完工。

5结论三跨连续铰支的无推力体系能消除拱结构在所有工况下对基础的水平推力，有效简化基础的受力状态和降低基础工程造价，尤其适合于软土地区。

三跨连续铰支钢桁架拱桥的传力路径明确平顺，杆件受力均匀合理，虽然其结构刚度、静力稳定性相对于单跨固支体系有所降低，但各项结构力学计算指标均能满足设计规范要求。

三跨连续铰支体系在天津国泰桥的成功应用，有效减少了部分项目的工程量，大大节约了工程投资，同时降低了施工技术难度，取得了良好的工程整体效果。

钢桁架拱桥结构的局部构造设计和施工方法选择直接关系到工程的质量优劣和实施成败，初步设计阶段就应加以重视。

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