基于复杂工况的跨运河钢拱桥抗拔螺杆受力性能研究

林来玉，俞 超，陈健圣

（上海新畅园林市政建筑工程有限公司，上海市 201204）

0 引言

拱桥在中国历史悠久，由于其结构形式多样、造型美观、刚度较大等特点，长期以来一直是主要桥型之一。即使在桥型选择日益丰富的近30年大建设时期，拱桥在中国仍有大量修建，并在设计、施工等方面取得了举世瞩目的成绩。按照主拱的建筑材料划分的四类拱桥的跨径纪录均在中国，分别是主跨径146 m的山西丹河新桥（石拱桥）、主跨径420 m的万州（县）长江大桥（钢筋混凝土拱桥）、主跨径460 m的巫峡长江大桥（钢管混凝土拱桥）和主跨径552 m的重庆朝天门大桥（钢拱桥）。在拱桥施工技术方面，世界上各种拱桥施工方法在中国几乎均有应用，其中水平转体施工、大跨径和大吨位的悬臂拼装等技术为中国特有的施工技术[1～2]。随着社会发展与桥梁技术水平的提高，曾经是主要桥型的石拱桥日益减少，钢拱桥、钢管混凝土拱桥和混凝土拱桥（包括钢筋混凝土拱桥和预应力混凝土拱桥）已成为中国近几十年来的三大主要桥型。

本文介绍的样本桥梁为大跨度中承式跨运河的钢拱桥，由主拱、主梁、钢螺杆、吊杆几部分组成，跨径布置为（30+25+210+25+30）m，主桥立面布置图如图1所示。主跨分为主次梁，形成纵横平面梁格，边跨为整体正交异性钢箱梁。由于边跨上拔力较大，此处设钢螺杆，边跨箱梁内部灌有混凝土起到压重作用[3～5]。主跨跨度较长，边跨较短，边跨的上挠比较大，此处的钢螺杆起到了关键作用，因此也成为全桥的生命线。本文主要通过对复杂钢拱桥的介绍，分析钢螺杆的作用，为此类桥梁的建造提供技术支撑。

图1 桥梁布置图（单位：m）

1 钢螺杆结构

大桥的钢螺杆采用箱型截面，螺杆的钢板厚度为120 mm，两侧各设置四道，位于主次梁的位置，其端部采用销铰构造与梁体及基础预埋钢板连接，用来承受轴向拉力和压力。螺杆处基础采用承台加抗拉拔桩形式，螺杆桩基拟每桩在合适的土层处采用多支盘护孔桩加强其抗拔力，在相应承台基础内设置PBL剪力键埋入式柱脚构造，以利传递较大的拉力及剪力。钢螺杆的结构构造如图2所示。

根据螺杆构造图，按照钢结构规范的稳定计算得到，钢螺杆的最大抗拉能力为1 000 t，最大抗压能力为700 t。

2 计算模型

根据设计图纸和相关参数，采用有限元软件Midas/Civil建立的全桥计算模型，如图3所示。计算模型共有2 420个节点、3 430个单元，主拱和主梁固结。钢螺杆上端与主梁共节点，下端6个自由度全部固定。斜撑顶节点与主梁刚性连接，斜撑底和拱脚底共节点。大桥一侧拱脚固结，另一侧拱脚释放纵桥向约束。

图2 钢螺杆构造图（单位：mm）

图3 计算模型图

3 钢螺杆作用分析

大桥采用了大吨位钢螺杆结构，这种特殊结构的受力性能将直接影响全桥的受力性能。本文通过建立两种受力状态，即桥梁不设置螺杆和桥梁设置四根螺杆，来分析钢拱桥钢螺杆的作用。

3.1 防止边跨出现负反力

通过模型计算结果可知，当桥梁设置钢螺杆时，在一次成桥状态下，边跨外侧支座反力为111 t，内侧支座反力为194.9 t，均受压；当桥梁不设置螺杆时，在一次成桥状态下边跨外侧支座反力为23.6 t（受压），内侧支反力为-24.5 t（受拉）。由此可见，在桥梁设计荷载作用下，边跨将出现较大的负反力，常规的抗拉支座难以实现，所以需要在边跨设置螺杆来承受支座负反力。

3.2 降低斜撑顶附近的主梁弯矩

通过模型计算得到一次成桥状态下斜撑顶附近的主梁弯矩，如图4所示。

图4 两种受力状态下斜撑顶附近主梁弯矩（单位：kN·m）

由图4可知，在两种受力状态下，设置螺杆和不设置螺杆斜撑顶附近主梁弯矩Mx和Mz数值较小且接近，但是不设置螺杆时主梁的弯矩My比设置螺杆时要大很多，所以设置螺杆可以有效的降低斜撑顶附近的主梁弯矩。

3.3 提高全桥整体稳定性

全桥成桥阶段整体弹性稳定分析共考虑恒载和恒载+风荷载两种工况。桥梁设置螺杆和不设置螺杆状态下两种工况的失稳模态和稳定系数见表1。桥梁设置螺杆和不设置螺杆状态下两种工况的一阶失稳图如图5～8所示。

表1 两种状态下两种工况的失稳模态和失稳系数

图5 不设置螺杆时恒载全桥一阶失稳图

图6 设置螺杆时恒载全桥一阶失稳图

图7 不设置螺杆时恒载+风荷载全桥一阶失稳图

图8 设置螺杆时恒载+风荷载全桥一阶失稳图

由表1和图5～8可知，当设置螺杆时全桥整体弹性稳定性增强，稳定系数提高。因为主拱和主梁固结，主拱的稳定就要求主梁的扭转角度很小。设置螺杆时可以约束主梁的扭转，从而提高全桥的整体稳定性。

4 螺杆处于不同位置对全桥受力的影响

在一次成桥状态下，螺杆的位置对全桥受力的影响共考虑三种工况：

（1）设计位置外移2.1 m；（2）原设计位置；

（3）设计位置内移3 m。

4.1 三种工况各受力构件应力对比

三种工况下拱肋、拱间横连、拱脚拱箱、主次纵梁和斜撑的应力见表2。

表2 三种状况下各受力构件应力包络表 MPa

由表2可以看出螺杆处于不同位置时对桥梁各构件的应力的影响。当螺杆布置得与斜撑靠近，拱肋、拱间横连和主次纵梁的应力就越低，拱脚拱箱和边斜撑的应力就会增加；而中斜撑的应力最大值增加，应力最小值降低。螺杆布置得太近，拱脚拱箱和边斜撑在强度设计上便难以满足规范要求，而且构造上没有足够的空间，不易实现；当螺杆布置得太远，拱肋、拱间横连和主次纵梁的应力增加较多，用钢量就越大，桥梁的自重就越大。

4.2 三种工况螺杆内力对比

根据模型的计算结果，三种工况下螺杆内力如图9所示。

图9 三种工况下螺杆内力图（单位：kN）

由图9可以看出，当螺杆布置与斜撑越近，螺杆所起的作用就越直接，螺杆力越大。

4.3 三种工况吊杆力对比

通过模型计算得到三种工况下的吊杆力的最大值与最小值，见表3。

表3 三种状况下吊杆力极值 kN

由表3可知，当螺杆布置与斜撑越近，吊杆力越小。三种工况下吊杆力的最大值和最小值都比较接近，但是由模型结果得到第1种工况与第2种工况吊杆力的最大差值为7.6 kN，第3种工况与第2种工况吊杆力的最大差值为12.2 kN。

5 结语

（1）该桥边跨相对主跨较小，在边墩会出现很大的支座负反力，特设置螺杆墩位来防止边跨负反力的出现。

（2）该桥在设计荷载作用下斜撑结构将产生巨大的反力，从而导致斜撑顶位置的主梁产生较大弯矩。为降低该弯矩，可在斜撑顶附近主次纵梁对应的位置设置钢螺杆。

（3）该桥的整体稳定是该工程的一个控制问题，其主拱稳定是靠主拱与主梁的螺杆。主拱的稳定要求主梁的扭转角度很小，因此，横桥向布置的四个螺杆是该桥稳定的关键点。

（4）螺杆的布置是设计时需要考虑的问题。当螺杆布置得靠近斜撑，拱肋、拱间横连和主次纵梁的应力就有所降低，拱脚拱箱和边斜撑的应力就会增加；而中斜撑的应力最大值增加，应力最小值降低。螺杆布置得太近，拱脚拱箱和边斜撑在强度设计上就难以满足规范要求，而且构造上没有足够的空间，不易实现；当螺杆布置得太远，拱肋、拱间横连和主次纵梁的应力增加较多，用钢量就越大，桥梁的自重就越大，应力增加快，容易陷入增大截面尺寸，自重增大，应力难以下降的循环中，所以螺杆处于不同位置对桥梁受力有很大影响。

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