浅谈钢桁架拱桥结构方案比选

浅谈钢桁架拱桥结构方案比选

王超

合肥市规划设计研究院安徽合肥230041

摘要：本文结合实际工程，通过对钢桁架拱桥的几种结构形式的比较分析，综合考虑受力、美观、经济等因素，得出最合理、优化的方案，为类似桥梁的设计提供参考。

关键词：斜拉桥；塔梁交接：承载能力；裂缝

Abstract:Combiningwithapracticalproject,thispaperconcludethebestreasonableandoptimizationalplanbymeansofcomparingwiththeseveralstructureformofsteeltrussarchbridge，consideringstress，artistic，economyetc.Itcanbeconsultedbysimilarbridgedesign.

KeyWords:steeltrussarchbridge;stress;artistic;economy

0引言

钢桁拱桥具有气势雄伟、造型美观、跨越能力大、承载能力高的特点，随着我国桥梁建设的大力发展，改桥型已越来越多的在城市道路、公路、铁路上采用，本文以合肥市集贤路派河大桥为例，介绍该桥的跨径布置、结构选型的设计思路。

1工程概况

本桥位于合肥市肥西县内，桥梁跨江淮运河（也称派河），通航等级为二级通航。集贤路派河大桥主桥采用54+132+54=240m三跨连续钢桁拱桥，钢梁全长239.8米，桁箱组合形式，两侧边跨端部23.9米为钢箱梁，其余均为钢桁梁，距梁端约24米处箱、桁做过渡处理，主桁采用三桁形式，中、边桁间距18.2米，主桁节间长度6m，中间支点处设加劲弦，加劲弦高约9.3米，下拱肋顶至中支点高30.3米，上拱肋顶至中支点高36.3米，拱肋采用二次抛物线。

图1集贤路派河大桥立面布置图

2技术标准

（1）设计荷载：汽车：城-A；（2）地震烈度：地震动峰值加速度系数为0.1g（地震基本烈度为Ⅶ度）；（3）设计行车速度：80km/h。

3主桁形式比较

(1)中支点设置加劲弦方案加劲弦高9m；节间长度6m，边跨9个节间，中跨22个节间，全长240m。下拱肋矢跨比1:5.2，最长吊杆20.3m，拱顶桁高6m。在7#设置纵向固定支座，6、8及9#设置纵向活动支座。

图2加劲弦主桁立面布置（单位：m）

（2）无加劲弦方案下拱肋矢跨比1:5，由于中支点加劲弦取消，拱肋线性抬高，边跨腹杆长度加长，中跨最长吊杆较加劲弦方案增加6m，达到26.3m。

图3无加劲弦主桁立面布置（单位：m）

（3）边跨采用主梁及桁梁混合布置方案加劲弦高9m；节间长度6m，边跨5个节间桁梁及24m长单梁，中跨22个节间，全长240m。下拱肋矢跨比1:5.2，最长吊杆20.3m，拱顶桁高6m。

表1三种方案比较表

图4边跨采用主梁及桁梁混合布置方案（单位：m）

方案三在刚度上略有降低，但满足规范要求，经济性和美观性上最好，因此选用方案三的形式。

4主桥边跨长度选择

为确定合理边跨长度，设计中比较了边跨长度为45、54、60m三种方案，边中跨比分别为0.341、0.409及0.4545。

图5边跨45m主桁立面布置（单位：m）

图6边跨54m主桁立面布置（单位：m）

图7边跨54m主桁立面布置（单位：m）

通过计算比较得边跨越长，用钢量越大，边支座运营期间最小支反力随长度减小而变小，为满足悬臂拼装施工时抗倾覆稳定的需要，3种方案均需在边跨施加临时压重，边跨越短，所需的临时压重越大，边跨48m时，每片主桁需压重28t/m，导致边跨主桁及桥面杆件需要由于施工期间压重而加大截面，增加结构总用钢量。综合全桥用钢量、刚度条件、支反力及临时压重数量考虑，采用边跨54m的方案。

5主桁矢跨比选择

钢桁拱矢跨比影响拱肋及系梁的内力，矢跨比越小（拱越坦），拱肋及系梁内力越大，拱肋及系梁截面尺寸变大，弦杆的用钢量增加，同时腹杆减短，腹杆用钢量减小。分别按1:4、1:5.2及1:5.8的矢跨比分析全桥。

表2不同矢跨比计算结果

矢跨比1:4方案桁高最大，拱肋及系梁受力最小，但是腹杆及吊杆长度最长，上部结构用钢量最大；矢跨比1:5.5方案桁高最小，相应腹杆及吊杆长度也小，但拱肋及系梁受力最大，截面尺寸也大，用钢量次之；矢跨比为1：4时，用钢量最小，杆件内力居中。

6吊杆设计

本桥可供选择的吊杆有两种：（1）由钢绞线或平行钢丝束组成的柔性吊杆。（2）由钢板焊接而成工字型或箱型截面的刚性吊杆。

柔性吊杆采用PES7-109，钢丝束公称截面面积为41.95cm2，钢丝束直径为81mm，破断荷载7005kN：柔性吊杆的安全系数按照大于3控制，疲劳应力幅按小于200MPa控制。

刚性吊杆采用工字型截面。

两种吊杆均能满足受力需要，刚性吊杆轴力略大于柔性吊杆。柔性吊杆材料用量小、费用低；刚性吊杆用钢量较大，虽然一次投入费用较高。但不存在柔性吊杆使用一定年限后需要多次更换的问题。目前国内公路钢桁拱绝大部分采用柔性吊杆，但鉴于近年来发现柔性吊杆震动及防腐问题突出，因此采用刚性杆件形式。

7主桁片数选择

桁架拱桥的主桁片数一般有2片及3片两种选择，绝大部分为2片主桁。

本桥结构采用三片主桁时主要有以下几个方面的考虑：

（1）荷载大、桥面较宽、跨度大，采用两片主桁导致内力太大，一方面最大杆件截面与板厚过大，同时影响其他杆件的尺寸。（2）跨度不大但桥面过宽，导致横向杆件尺寸过大，甚至大幅增加建筑高度。

作为钢桁拱结构，本桥跨度不大，但桥梁宽度较大，若采用2片主桁，桁间距达到37m，主桁竖杆面外弯矩较大，同时横梁高度较高，钢材较3片主桁方案多800t，因此本桥从结构受力及经济性考虑推荐采用3片主桁。

8结论

通过多种比较，确定最终结构形式为矢跨比1:4的钢桁拱梁组合体系，对于跨径不大的该类型桥，边跨可采用非桁式的箱型结构，可节约钢材用量，也轻盈美观。

参考文献

[1]孙海涛.大跨度钢桁架拱桥关键问题研究[D].同济大学,2006:1-157；

[2]刘新欢.钢桁架拱桥结构参数研究与空间静力分析[D].2015-12-10；

[3]梁茂然,邢乔山,齐铁东.大跨度钢桁架拱桥关键设计参数研究[J].公路交通科技(应用技术版),2016,(005)；

[4]胡玉林.大跨度钢桁架结构安装方案研究[D].内蒙古科技大学,2013；

[5]荀东亮,邓吉海,汪存书.大跨度钢桁拱桥关键施工结构的施工与监控[C].《桥梁》杂志社,2013.

作者简介

王超（1981年5月），男，湖北武汉，硕士，高级工程师。