钢管混凝土拱桥桥道系合理结构形式与适用范围

【关键词】钢管混凝土;拱桥;桥道系;有限元分析;连续纵梁

【中图分类号】U448.2 【文献标识码】A

　　在西部交通建设科技项目“钢管混凝土拱桥设计、施工、养护关键技术研究”中，四川省交通厅公路规划勘察设计研究院承担专题2:“大跨度钢管混凝土拱桥结构设计与合理构造形式”的研究工作。专题2又分为7个子课题，其中子课题2为“钢管混凝土拱桥桥道系合理结构形式与适用范围研究”。

　　本子课题的研究按以下三阶段进行。第一阶段:收集已建钢管拱桥桥道系结构形式资料，对典型桥道系结构进行现场调研，形成典型桥道系结构分类及总结调研报告。第二阶段:数值分析各类桥道系结构。第三阶段:结合一、二阶段成果，编制钢管混凝土拱桥桥道系合理结构形式与适用范围研究报告。

1 典型桥道系结构调研汇总

　　根据研究大纲，本子课题计划首先收集已建钢管混凝土拱桥桥道系结构形式资料。现已收集到19座典型钢管拱桥资料，分析总结如表1。

2 典型桥道系结构分类

　　一类 :桥道系纵梁简支于盖梁上。

　　二类 :桥道系纵梁与吊杆横梁铰接。

　　三类 :桥道系纵梁与横梁先简支后连续刚接。

　　四类 :横梁之间用纵梁连续贯通，车道板简支于横梁上。

　　五类 :横梁与桥面板刚接。

　　各类桥道系结构简图(见图1)。

3 各类桥道系结构特点

　　一类 :桥道系结构类似于普通简支梁桥，系纵梁简置于盖梁的支座上，地震基本烈度7

　　一般地区桥道度及7度以上[Page]

地区设置纵梁锚栓。

　　二类 : 桥道系纵梁置于吊杆横梁上，并且桥道系纵梁与吊杆横梁之间设置锚筋形成铰接。

　　三类 : 桥道系纵梁在端部预留现浇段，吊杆横梁和桥道系纵梁吊装架设后，将纵梁钢筋与吊杆横梁预埋钢筋焊接后浇筑现浇段形成桥道系连续结构，并使桥道系纵梁与吊杆横梁形成一定程度刚接。

　　四类 : 预制横梁时同时预制在吊杆位置设置的与横梁固接的纵梁，待横梁和简支行车道板架设完成后浇筑纵梁湿接头，使纵梁形成连续结构。

　　五类 : 预制箱形横梁并将其悬挑板加长，箱形横梁架设完成后，再浇筑各横梁之间的悬挑板现浇段，使其形成连续桥面板。一般每根预制横梁每侧设双吊杆。

4 各类桥道系结构的调查情况

4.1 各类桥道系结构所在的钢管拱桥的结构形式

　　一类 :出现于上承式拱桥中。

　　二类 :五类:出现于中、下承式拱桥中。

4.2 各类桥道系结构所在的钢管拱桥的纵梁跨径

　　一类 : 上承式拱桥主孔跨径较大，相应桥道系纵梁跨径比中下承式拱桥的大。

　　二类 : 五类:中、下承式拱桥吊杆间距一般4一8m。二类~三类吊杆间距稍大，四类~五类吊杆间距稍小。

4.3 各类桥道系结构出现的频率

　　一类 : 出现于大多数上承式拱桥中。

　　二类 : 较多出现于各种跨径的中下承式拱桥中。

　　三类 : 较多出现于大跨径的中下承式拱桥中。

　　四类 : 有时出现于中下承式拱桥中。

　　五类 : 有时出现于中下承式拱桥中。

4.4 各类桥道系结构出现的年代

　　一类 :2000年一2001年

　　二类 :1995年一2002年

　　三类 :2000年一2004年

　　四类 :1990年一2005年

　　五类 :2001年[Page]

　　二类桥道系结构简单，施工方便，较早被采用。随着上承式钢管拱桥的出现，一类桥道系结构被采用。随着中下承式钢管拱桥的主跨越来越大，三类桥道系结构被采用。四类桥道系结构最早曾出现过，但其优点未被认识到，后来较少采用，随着二类桥道系结构的不安全性逐渐暴露，四类桥道系结构又在被完善后重新被采用。五类桥道系结构在台风地区被采用。

5 各类桥道系结构曾发生的事故

　　四川宜宾小南门大桥为中承式钢筋混凝土拱桥，桥道系为二类桥道系，由于吊杆锈蚀和交通量超出设计交通量较多，吊杆突然断裂，引发桥面系垮塌，造成了重大人员伤亡事故。

　　四川旺苍东河大桥为下承式钢管拱桥，桥道系为四类桥道系，在运营过程中吊杆曾被汽车撞断一根，但由于设置了横梁之间的小纵梁，未造成桥道系垮塌，因而也未造成伤亡事故。

6 桥道系结构数值分析

　　对于上述5类桥道系结构，经过对施工顺序的安排，其恒载大部分已经发生的时候桥面系结构仍为简支结构，因而每根吊杆承受的恒载均为相邻两跨恒载之和的一半。桥面系承受的活载如何通过吊杆传至拱圈，需分别建立有限元分析模型进行计算分析。下文对一跨径为150m的中承式钢管硅拱桥的桥面系的活载传力方式进行分析。全桥共两根四肢析式拱肋，每根拱肋横向分配系数为3.0，半桥宽14.7m，吊杆间距4.84 m。下文分别将桥面系设定为以上各种类型进行数字分析。

　　一类和二类桥道系结构分析一类和二类桥道系结构为简支体系，吊杆承受的活载拉力为一集中力加两吊杆之间的分布力，各吊杆拉力均为1232.8kN。

6.2 三类桥道系结构分析

　　桥面系为先简支后连续Ⅱ形梁，梁高45cm，每块Ⅱ形梁宽l0cm，肋宽24cm。有限元分析模型参见图2，拱脚为固结，吊杆与拱肋和桥面系之间为铰接，桥面系与拱肋相交设置伸缩缝处仅将桥面系的竖向力传给拱肋，桥面系在运营状态时为连续梁，各吊杆的活载拉力计算结果见表2(由边至跨中)。

6.3 四类桥道系结构分析[Page]

　　桥面系横梁之间用纵梁连续贯通，车道板简支于横梁上。车道板为厚40cm的空心板;车道板下吊杆处设置矩形纵梁，高150cm，宽50cm。纵梁在两吊杆之间设置50cm长后浇段，待桥面板架设和桥面系施工完成后再浇筑。有限元分析模型参见图3，拱脚为固结，吊杆与拱肋和纵梁之间为铰接，纵梁与拱肋相交设置伸缩缝处仅将桥面系的竖向力传给拱肋，纵梁在运营状态时为连续梁，桥面板在吊杆处将恒、活载传至纵梁和吊杆。各吊杆的活载拉力计算结果见表3(由边至跨中)。

6.4 五类桥道系结构分析

　　横梁与桥面板刚接，横梁为高1.8m、宽3.2m的预应力箱形横梁，横梁架设完成后浇筑横梁之间的桥面板，桥面板厚20cm，形成连续桥面系结构，最后张拉纵向贯穿桥面系的纵向预应力。有限元分析模型参见图4，拱脚为固结，吊杆与拱肋和箱形横梁之间为铰接，桥面板与拱肋相交设置伸缩缝处仅将桥面系的竖向力传给拱肋。各吊杆的活载拉力计算结果见表4(由边至跨中)。

6.5 综合分析

　　经以上有限元计算分析，发现桥面系纵向刚度越大，活载沿桥纵向传递越多，吊杆力越均匀，因而吊杆力也就越小，最终拱圈受力越好。

　　一类和二类桥道系为简支结构，活载不能往远处传递，因而吊杆力最大，吊杆和拱圈受力最不利;三类桥道系为桥面板先简支后连续结构，部分活载能往远处传递，吊杆力在主跨的跨中附近较均匀且较小，吊杆和拱圈受力较好;四类桥道系设置刚度较大的连续纵梁，活载能往远处传递，吊杆力较均匀且得到有效减小，吊杆和拱圈受力最好;五类桥道系为箱形横梁和桥面板连续结构，由于桥面板刚度较小，只有部分活载能往远处传递，吊杆力在主跨的跨中附近较均匀且较小，吊杆和拱圈受力较好。

　　总之，中下承式钢管拱桥的桥道系的纵向应采用连续结构，并应加强纵向刚度，使活载沿桥纵向传递，使吊杆力更均匀、更小，最终使拱圈受力得到改善。[Page]

7 小结

　　经过钢管混凝土拱桥桥道系结构形式的调研和数值分析，得出以下结论:

　　一类桥道系:适用于上承式拱桥。

　　二类桥道系:自身受力明确，对吊杆和主拱的受力影响也明确，计算简单、施工方便;桥面系整体性差，动力特性较差，在吊杆出现意外时，容易发生重大安全事故;活载不能往远处传递，吊杆和拱圈受力最不利。该类型建议在有精心养护和吊杆系杆安全监控系统的情况下适用于中小跨径中下承式钢管拱桥。

　　三类桥道系:整体性较好，吊杆和拱圈受力较好，适用于大跨径的中下承式钢管拱桥。

　　四类桥道系:连续纵梁主要承受活载内力，能够加强桥面系整体性，能够防止因吊杆的意外引起重大安全事故;活载能往远处传递，吊杆和拱圈受力最好;连续纵梁尺寸较小，跨径不宜太大。该类型适用于吊杆间距不大的中下承式拱桥。

　　五类桥道系:该类型桥面系整体性较好，能够防止因吊杆的意外引起重大安全事故，由于桥面板刚度较小，只有部分活载能往远处传递，吊杆和拱圈受力较好;箱形横梁架设重量大，施工条件要求高;桥面板厚度小，其跨度不宜太大。该类型适用于吊杆间距不大的中下承式拱桥，要求施工单位具有较大架设能力或架设条件较好。