組合體系橋梁文獻(xiàn)綜述

1、<p><b>　　文獻(xiàn)綜述</b></p><p><b>　　【摘要】</b></p><p>　　本文系統(tǒng)收集了組合體系橋梁對應(yīng)結(jié)構(gòu)形式的多方論述，首先梳理國內(nèi)發(fā)展組合體系橋梁的實(shí)際需要，對該橋型所采用的多項(xiàng)技術(shù)成果作出評述，</p><p>　　一、組合體系拱橋的演進(jìn)歷程</p><p

2、>　　橋梁作為交通線路中斷時(shí)跨越障礙的重要構(gòu)造物，是區(qū)域資源流通和人員流通的重要中</p><p>　　繼點(diǎn)。橋梁結(jié)構(gòu)與其他土建結(jié)構(gòu)有類似的基本受力單元，分別為梁單元、拱單元、纜索單元和部分桁架單元，橋梁整體結(jié)構(gòu)形式大多以各單元的優(yōu)勢為考量，發(fā)展出梁式橋、拱式橋、纜索受力體系等基本橋型，直到生產(chǎn)能力和施工技術(shù)大幅進(jìn)步，以及新型材料得到廣泛應(yīng)用，組合體系橋型才日漸得到橋梁工作者的親睞，并在跨度要求較高、橋梁景

3、觀價(jià)值受到重視的方案中得到多樣適用。</p><p>　　現(xiàn)在常見的組合體系拱橋在百年前就在設(shè)計(jì)者的大膽嘗試中誕生了雛形。其后，奧地利人藍(lán)格爾于1858年獲得剛性系桿柔性拱專利。19世紀(jì)末，在德國易北河上建造誒多10跨透鏡式弦桿鐵路橋成為洛澤拱的發(fā)展起點(diǎn)。尼爾森為提高結(jié)構(gòu)剛度提出將之前采用的豎向吊桿替換為斜向吊桿的設(shè)想，最終于1929年獲得專利權(quán)。</p><p>　　我國建設(shè)組合體系拱橋

4、可追溯到1922年，天津楊村三孔跨徑20m的雙龍橋正是下承式鋼混梁拱組合橋。解放后五、六十年代的大規(guī)模建設(shè)和八、九十年代設(shè)計(jì)理論和計(jì)算手段的進(jìn)步分別為組合體系拱橋的發(fā)展奠定了經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論框架。21世紀(jì)以來，公鐵交通的迅猛發(fā)展與其相對應(yīng)交通需要的大幅波動推動了橋梁設(shè)計(jì)在優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力、創(chuàng)新結(jié)構(gòu)外形方面的工作，使得組合體系橋梁更多地得到研究與應(yīng)用。</p><p>　　二、連續(xù)梁拱組合體系橋的應(yīng)用范圍和受力特點(diǎn)<

5、;/p><p>　　2.1基于國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀對組合體系橋的簡要分類</p><p>　　梁拱組合是應(yīng)用最早的組合體系橋形式，根據(jù)梁單元受力還可分為簡支梁拱組合體系、</p><p>　　連續(xù)梁拱組合體系、懸臂梁拱組合體系、桁式梁拱組合體系。其中以連續(xù)梁拱組合體系為代表，既克服了采用簡支梁僅能適用于下承式的限制，也通過拱與梁軸力的相互作用達(dá)到共同受力的目的，現(xiàn)有拉薩河特大橋

6、（2005年完工）采用五跨三拱連續(xù)梁鋼管混凝土拱，成功滿足青藏鐵路工程的嚴(yán)苛條件。其后的兩類則是在遵循梁拱聯(lián)合作用的原則下，考慮到全橋受力均勻而進(jìn)行的修正。</p><p>　　此外，剛拱構(gòu)、斜拉拱、懸索拱也屬于組合體系，橋型的跨類別組合顯得更為突出，剛構(gòu)橋、斜拉橋和懸索橋在形成各自基本體系時(shí)，可以作為安裝拱肋的支架，便于結(jié)合施工現(xiàn)實(shí)，在需要彌補(bǔ)原主梁剛度上，拱單元的加入提升了橋整體的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。這類深度組合不

7、乏嘗試：廣州新光大橋在原V形剛構(gòu)基礎(chǔ)上加入拱單元使梁體大幅減薄，結(jié)構(gòu)輕巧；湘潭湘江四橋?yàn)樾崩w燕拱，在主拱兩側(cè)設(shè)有索塔支承拱肋；無錫五里湖大橋主橋采用斜塔懸索組合結(jié)構(gòu)，造型新穎大膽，成為城市景觀的一部分。</p><p>　　2.2 連續(xù)梁拱組合體系的性能</p><p>　　李國平在其《連續(xù)梁拱組合橋的性能和特點(diǎn)》一文中指出：我國采用拱橋作為跨越結(jié)構(gòu)已久，然而由于傳統(tǒng)施工方法的不便，面

8、對60m~200m的跨徑更多采用預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁橋。拱橋在軟弱地基上存在顯著的拱腳變位的病害，因而在解放后杭嘉湖平原建設(shè)現(xiàn)代橋梁拱橋缺乏競爭力。而上世紀(jì)末我國懸臂澆筑、轉(zhuǎn)體施工的發(fā)展使得拱梁組合體系有效克服之前的施工問題而被廣泛應(yīng)用，尤其是鋼管混凝土和勁性骨架改善了混凝土受力性能，防止拱肋失穩(wěn)。</p><p>　　連續(xù)梁拱可在成橋后才出現(xiàn)多余約束，一期荷載基本不引起水平推力，外部受力適宜軟弱地基，內(nèi)部受力表現(xiàn)為梁受

9、拉、拱受壓，或拱軸向力分力可抵抗剪力，即梁拱自平衡。取中承式橋型舉例：結(jié)構(gòu)整體受彎，彎矩較大的跨中和中支點(diǎn)處拱和梁相對距離增大，作為剪力控制點(diǎn)的中支點(diǎn)，拱軸線與水平線呈最大傾角，而邊跨采用較小跨徑即無礙墩兩側(cè)不平衡彎矩，邊跨彎矩主要為負(fù)彎矩適宜預(yù)應(yīng)力布置。綜上所見，連續(xù)梁拱體系是組合體系修正原簡單體系各自缺點(diǎn)的典型案例，并適合使用高強(qiáng)材料，有利于技術(shù)進(jìn)步。</p><p>　　2.3連續(xù)梁拱體系施工過程與受力特點(diǎn)

10、</p><p>　　轉(zhuǎn)體施工：上承式連續(xù)梁拱組合橋適宜采用。結(jié)構(gòu)首先作為兩個(gè)單體在支架上現(xiàn)澆和部分張拉預(yù)應(yīng)力，而后平衡懸臂轉(zhuǎn)體，調(diào)整合攏標(biāo)高，跨中臨時(shí)固結(jié)實(shí)施現(xiàn)澆，完全張拉縱向預(yù)應(yīng)力形成連續(xù)結(jié)構(gòu)。</p><p>　　少支架施工：下承式連續(xù)梁拱組合橋適合采用。首先縱梁分段預(yù)制，在少支架上現(xiàn)澆縱梁接頭和端橫梁，通過張拉預(yù)應(yīng)力形成縱向連續(xù)梁肋，再架設(shè)中橫梁和鋼管拱肋，灌注鋼管混凝土，逐一調(diào)整

11、吊桿力，最終拆除支架。</p><p>　　全現(xiàn)澆施工：適合各種形式，應(yīng)主要考慮施工時(shí)該橋位的通航要求和施工難度。取中承式舉例，施工時(shí)分成橋面上下兩個(gè)部分，分次澆筑逐次成型，縱梁分段截面組合考慮吊桿初張拉問題和預(yù)應(yīng)力施加，保證落架是結(jié)構(gòu)達(dá)到受力許可條件。</p><p>　　三、鋼管混凝土技術(shù)在組合體系拱橋中的應(yīng)用</p><p><b>　　3.1鋼管混

12、凝土</b></p><p>　　本文所描述的鋼管混凝土主要面向大跨度拱橋，同時(shí)不包含混凝土填充的方鋼管。圓鋼</p><p>　　管混凝土突出的技術(shù)優(yōu)勢在于鋼管對核心混凝土的約束作用，又稱“套箍作用”，核心混凝土處于三向受力，尤其是進(jìn)入塑性后由于鋼管約束了縱向裂縫的開展，對橫向裂縫應(yīng)力集中的問題也有所緩解，鋼管混凝土便具有了更高的抗壓強(qiáng)度與壓縮變形能力，同時(shí)耐疲勞沖擊，架設(shè)輕

13、便。再者，鋼管可視作混凝土模架，省去了鋼筋骨架，有利于高強(qiáng)混凝土的澆筑，也無需考慮高強(qiáng)混凝土與起保護(hù)作用的普通混凝土之間的性能差異。</p><p>　　1897年美國人John Lally獲得圓鋼管混凝土專利，將其應(yīng)用于房屋承重柱。1930年在法國巴黎首先建成9m跨徑實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的上承拱橋，此后雖然在歐洲和蘇聯(lián)廣泛應(yīng)用，20世紀(jì)四十年代在橋跨徑方面也已達(dá)到了140，但因?yàn)楸盟突炷良夹g(shù)尚未成熟，鋼管采用節(jié)段拼裝并未

14、體現(xiàn)出它鋼管拱肋先成橋受力的優(yōu)勢，現(xiàn)場施工始終十分繁瑣，設(shè)計(jì)者更愿意采用普通混凝土技術(shù)。</p><p>　　3.2與橋梁工程的大范圍結(jié)合</p><p>　　80年代泵送混凝土工藝顯著發(fā)展，推動了鋼管混凝土在美國與澳大利亞高層建設(shè)的應(yīng)用。我國也在同時(shí)期建成泉州郵電中心、廈門金源大廈等建筑，因鋼管混凝土在大跨度結(jié)構(gòu)應(yīng)用的美好前景，這種高強(qiáng)輕質(zhì)的高效結(jié)構(gòu)材料很快被運(yùn)用到橋梁工程。自1990年

15、四川省旺蒼縣采用纜索吊裝建成跨度115m的我國第一座鋼管混凝土拱橋起，全國各地開始興建此類橋梁，僅五年內(nèi)誕生20座同類橋梁。蔡紹懷在《我國鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)的最新進(jìn)展》中曾對上世紀(jì)末鋼管混凝土拱橋興建情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，匯編成下表：</p><p>　　由上可見，鋼管混凝土的發(fā)展使得拱橋跨徑極限有了大幅提升，對高強(qiáng)混凝土更加適配。鐘善桐在他所撰寫的《鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題》就曾對它在橋梁工程中的優(yōu)越性能和實(shí)用價(jià)

16、值進(jìn)行過一番歸納：</p><p>　　鋼管混凝土適合軸心受壓，在大跨度拱橋中永久荷載占很大比重，鋼管混凝土的抗壓優(yōu)勢能去的省材效果，經(jīng)濟(jì)效益顯著；</p><p>　　空鋼管先做成拱肋，承受較大荷載，本身自重輕，便于運(yùn)輸安裝，是拱橋突破200m跨徑的關(guān)鍵；</p><p>　　拱肋自重輕也減小了橋墩負(fù)擔(dān)，進(jìn)而降低了基礎(chǔ)費(fèi)用；</p><p>

17、;　　和普通鋼筋混凝土比較，施工快，工期短，無開裂問題，綜合效益高。</p><p>　　3.3 應(yīng)用于組合體系拱橋時(shí)的計(jì)算問題</p><p>　　剛度取值：我們知道，在中國和相似的英國相應(yīng)橋規(guī)中，鋼管混凝土的截面驗(yàn)算在管內(nèi)混凝土具有承載能力前是應(yīng)力疊加計(jì)算，之后為內(nèi)力疊加計(jì)算，考慮兩種材料聯(lián)合受力而按一般變彈模的連續(xù)材質(zhì)計(jì)算剛度。實(shí)際上由于存在較多多鋼管組合一根拱肋的情況，各鋼管分別擔(dān)

18、當(dāng)上下弦桿，管間填實(shí)混凝土與鋼管聯(lián)系較復(fù)雜，必須進(jìn)行一定的折減。各鋼管也不是同時(shí)泵送混凝土，因而需要更多靜載實(shí)驗(yàn)確定。</p><p>　　陳寶春在《鋼管混凝土拱橋計(jì)算理論研究進(jìn)展》中專門對單圓管平行雙肋拱進(jìn)行了討論，彌補(bǔ)了成橋?qū)嶒?yàn)中材料主要都在彈性階段工作的缺陷。他根據(jù)當(dāng)時(shí)已進(jìn)行的8組面內(nèi)受力模型試驗(yàn)和參考西南交大考慮面內(nèi)外共同受力的全過程試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：</p><p>　　鋼管混

19、凝土有良好的彈塑性工作性能，較鋼筋混凝土延性更佳，較空鋼管拱剛度更大。承載力方面，鋼管混凝土與鋼結(jié)構(gòu)相近，而用料費(fèi)用和普通鋼筋混凝土相差無幾。難點(diǎn)在于，當(dāng)材料進(jìn)入非線性時(shí)，截面應(yīng)力重分布和結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布顯著，軸向塑性區(qū)發(fā)展較快，使得拱橋服務(wù)階段驗(yàn)算不能忽略軸力在豎向撓度上形成二次彎矩，進(jìn)而結(jié)構(gòu)發(fā)展為極值點(diǎn)失穩(wěn)的狀況?？紤]到管內(nèi)混凝土水化時(shí)處于封閉環(huán)境，水化熱難以散失，截面溫度的非線性分布明顯，套箍混凝土徐變也缺少研究資料，這些都成為了鋼

20、管混凝土在研究領(lǐng)域的難點(diǎn)。</p><p>　　3.4鋼管混凝土組合體系拱橋的穩(wěn)定性分析基本方法</p><p>　　以下基于李玲瑤等人撰寫的《鋼管混凝土拱橋拱肋橫撐對動力性能和穩(wěn)定性的影響》，其中以此類橋的代表——廣州市丫髻沙特大橋?yàn)槟７聦ο螅M(jìn)行了簡化模型的ANSYS分析。本文僅采用與丫髻沙特大橋?qū)嶋H情況更為類似的設(shè)置對稱橫撐和拱頂拱腳處設(shè)置K撐的一組的分析數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納。</p&

21、gt;<p>　　該課題中，組合截面材料特性采用簡單疊加的方式：</p><p><b>　??； </b></p><p>　　式子中下標(biāo)s代表鋼管，下標(biāo)c代表混凝土。</p><p>　　平聯(lián)桿、腹桿、橫梁、縱梁、立柱、橫撐直桿、橫撐斜桿、綴桿、肋間橫撐直桿等模擬為梁單元；橋面單元采用梁格法，在保證剛度、質(zhì)量不變的情況下， 簡

22、化為魚骨結(jié)構(gòu)，與橋面的鋼橫梁、鋼縱梁耦合;鋼管和管內(nèi)混凝土組合在一起， 等效處理成單一彈性模量和密度的梁單元。</p><p>　　分析動力性能首先是對應(yīng)各振型分析其基頻，拱肋為分離式結(jié)構(gòu)，面內(nèi)面外穩(wěn)定都需要考慮，而分析鋼管混凝土拱橋成橋后的穩(wěn)定性也主要集中于之前所述彈性工作階段，這樣利用原剛度矩陣和由于不利撓曲位移造成的負(fù)剛度矩陣進(jìn)行比較，得出穩(wěn)定系數(shù)最低值，確定結(jié)構(gòu)安全。</p><p&g

23、t;<b>　　四、應(yīng)用實(shí)例</b></p><p>　　4.1（國內(nèi)）廣州市丫髻沙特大橋</p><p>　　鋼管混凝土拱橋由于跨越能力強(qiáng)，線形美觀，又便于少支架施工，在城市周邊線路涉及跨越主要航道時(shí)經(jīng)常采用。廣州市丫髻沙特大橋就是其中應(yīng)用技術(shù)先進(jìn)，施工迅速（1998年8月開工，2000年6月建成）的典型代表，其主跨跨徑也罕見地達(dá)到了360m，由于其采用的飛燕式中承

24、式拱橋是系桿自錨式拱橋，沒有墩臺造成水平方向上的較大負(fù)擔(dān)，雖然島南岸存在次級斷裂構(gòu)造，但橋梁地基要求能夠滿足。</p><p>　　徐升橋在對其主橋構(gòu)造的研究中描述了該橋鋼管拱肋方面的技術(shù)進(jìn)步。首先，筆者在研讀鐘善桐《鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題》時(shí)獲悉，單管拱跨越能力并不強(qiáng)，更多的是對混凝土脆性的修正，而啞鈴式的雙管拱鋼管為上下排布，豎直鋼板間的混凝土效用并不明顯，卻大大增加了拱肋自重。其實(shí)大跨度橋梁中更多采

25、用三管以上成一拱，設(shè)置平腹桿后能保證管間混凝土的受力。丫髻沙特大橋采用了六管式拱肋，上下各三管，這在國際上屬于首次應(yīng)用。同高度的各管通過平聯(lián)板相互連接形成類似肋板結(jié)構(gòu)，上下間則用十二根腹桿形成桁架結(jié)構(gòu)，一來上下整體性強(qiáng)，再者這樣形成桁架，腹桿長度較短穩(wěn)定性高，雙肋間的橫向風(fēng)撐中桿件則較長，便于其僅在軸向受力。</p><p>　　4.2（國外）美國內(nèi)布拉斯加州拉文納高架橋和哥倫布高架橋</p>&l

26、t;p>　　Ravenna viaduct和Columbus viaduct均為跨線橋，以Ravenna viaduct為例，它跨越了伯靈頓的主要線路——Northern Santa Fe Railroad（北圣太菲鐵路），作為一條繁忙的主線路，每天通過該路線的列車達(dá)到了60列，因而該橋的橋下凈空要求與動力性能要求都較嚴(yán)苛，同時(shí)因?yàn)闃蛳戮€路較寬，橋墩間距也受到嚴(yán)格限制。最終Ravenna viaduct以雙肋鋼管混凝土系桿拱橋（跨

27、徑53m）跨越了六組鐵軌、兩條主線和四條專用線路，橋下凈空的安全富余有0.81m。</p><p>　　施工方總結(jié)了幾點(diǎn)鋼管混凝土拱橋的特點(diǎn)：</p><p>　　鋼管混凝土系桿拱橋可以完成在密集線路上的跨度達(dá)79m的跨線橋假設(shè)；</p><p>　　鋼管約束下的混凝土有良好的滯回性能和抗疲勞能力；</p><p>　　方管約束對提升混凝土承

28、載力并不顯著，實(shí)際中可以忽略，而圓管約束則應(yīng)考慮；</p><p>　　鋼管混凝土拱的抗彎承載力能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)估；</p><p>　　此次工程無需設(shè)置橫向支撐提高橫向剛度，橫向支撐對結(jié)構(gòu)基頻影響不大；</p><p>　　鋼管混凝土橋可以用對運(yùn)營線路最小的干擾完成建設(shè)，同時(shí)無需專門的施工準(zhǔn)備。</p><p><b>　　五、參考