混凝土拱桥拱上建筑轻型化研究

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第29卷第1期土木工程与管理学报V01．29No．12012年3月JournalofCivilEngineeringandManagementMar．2012混凝土拱桥拱上建筑轻型化研究黄卿维，陈宝春，吴庆雄，王征(福州大学土木工程学院，福建福州350108)摘要：制约混凝土拱桥向更大跨度发展的主要问题是结构自重大和施工架设困难。为提高混凝土拱桥的竞争力和促进该桥型的进一步发展，以420m跨径的重庆万州长江大桥为工程背景，通过桥道系连续化和采用组合结构代替原有混凝土结构等方式来进行混凝土拱桥拱上建筑轻型化研究。与原设计在静力性能和地震响应分析的比较结果表明，桥道系连续化对减轻拱上建筑结构自重的效率较低，其静力性能与抗震性能提高也不大；而采用组合结构可使得拱上建筑结构自重减轻35％，拱脚轴力和弯矩分别降低了16％和17％，三向地震作用下的拱脚横向弯矩和拱顶横向位移分别减小了13％和18％，拱脚纵向弯矩、轴力分别降低了45％和44％，具有可行性。关键词：拱桥；拱上建筑；轻型化；组合结构中图分类号：U448．38文献标识码：A文章编号：2095-0985(2012)01-0005-05ResearchonReducingtheWeightofSpandrelStructurefortheConcreteArchBridgesHUANGQing—wei，CHENBao—chun，删一xiong，WANGZheng(SchoolofCivilEngineering，FuzhouUniversity，Fuzhou350108，China)Abstract：Developmentoflong—spanRCarchbridgesarerestrictedbytwocriticalfactors，theheavyself-weightandthedifficultconstructiontechniques．Inordertoadvancethecompetitivenessandfurtherapplication，researchesonreducingtheself-weightofspandrelstructuresofRCarchareconductedbyeithermakingthedeckfromsimplysupportedtocontinuousorutilizingcompositestructureinWanxianYangtzeRiverBridgewithamainspanof420m．Theresultsofthetrialdesignbyusingcompositestructureshowthatwithcomparisonoftheoriginalbridgetheserf-weightofspandrelstructureisreducedby35％，andtheaxialforceandbendingmomentofarchspringingisdecreasedby16％and17％．Simultaneously，thebendingmomentseismicresponseofarchspringinginlongitudinalandtransversedirectionreduce45％and13％underthethree—directionalgroundmotionsandtheaxialforceofarchspringinginlongitudinaldirectionreduce44％andthedeflectionofarchcrowninthetransversedirectionreduce18％．Thecompositestructureissuperiortothecontinuousgirdersolutioninthestaticandseismicperformancewhichisfeasibleinpracticalapplication．Keywords：archbridge；spandrelstructure；light-weight；compositestructure从结构方面来看，以廉价的抗压强度高的混进入2l世纪后，其修建的数量有下降趋势。凝土作为结构主要材料的混凝土拱桥是合理的，然而，国外近几年对超大跨径混凝土拱桥的因此适合跨越深谷河流的上承式混凝土拱桥在相研究相当活跃，如克罗地亚相继提出了主跨分当长的时期内一直是我国的主导桥型，其最大跨别为432m、500m、750m和1000m的拱桥设计径为1997年建成的重庆万州长江大桥(420m)，构思；JeanMuller国际顾问工程师公司与迄今为止其跨径还未有突破。然而，近二十年来AlianSpielmann顾问建筑师公司在法国米勒高架拱桥的研究和发展与其它桥梁相比却相对落后，桥的国际方案竞标中联合提出了主跨602m的混收稿日期：2011-09-27修回日期：2011-12—15作者简介：黄卿维(1982一)，男，福建惠安人，助理研究员，博士，研究方向为大跨度桥梁(Email：HuangQingWei@fzu．edu．ca)基金项目：科技部国际科技合作项目(2009DFA72220)；国家自然科学基金(51178119) ·6·土木工程与管理学报2012年凝土拱桥方案5；日本土木协会组织进行跨度达kN／m；桥面净宽为净2×7．5m行车道+2×3．0600m钢筋混凝土拱桥的可行性研究，于2003年m人行道，总宽24m，地震基本烈度6度，按7度出版了(600m跨径级的混凝土长大拱桥的设计验算。桥梁采用上承式混凝土箱拱，计算跨径与施工》一书J。424．59m。计算矢高84．86m，矢跨比1／5，悬链线为使我国混凝土拱桥的技术成就继续保持世拱轴系数m=1．6，总体布置见图1。界领先地位，有必要开展超大跨径混凝土拱桥的前期科研工作。制约混凝土拱桥向更大跨度发展的主要问题是结构自重大和由此带来的施工架设困难，而实现混凝土拱桥轻型化可分为拱圈轻型化与拱上建筑轻型化。对于拱圈轻型化，福州大图1重庆万州长江大桥总体布置图／em学陈宝春教授提出了钢一混凝土组合拱桥的构拱上立柱共有12对，横桥向柱宽均为2．5思，即用轻质高强的钢板(波形钢板或平钢板)或m，纵桥向顶宽1．4m，两侧按1／100比例放坡，盖钢腹杆取代传统钢筋混凝土拱圈中厚重的混凝土梁尺寸为20m×1．6rn×1．8rn，均采用C30混凝腹板，从而形成钢腹板(杆)一混凝土组合拱。研土，其构造见图2。主梁采用10片30．668m跨究表明，虽然其后期钢结构的养护工作量较大，但径的预应力砼简支T梁(图3)，主梁梁高1．75考虑到新型拱圈的材料费用与混凝土拱圈费用大rn，间距2nl，采用C50混凝土。拱上立柱和桥道致相同，且其可减轻拱圈自重约30％和减少下部系分别采用了滑模顶升现浇法和预制节段拼装法结构工程量，免除混凝土腹板模板、绑扎钢筋等施进行施工。工工序所带来的施工费用，经济效益较为明显，因立柱处拱顶处此具有相当的工程应用潜力¨。我国上承式混凝土拱桥拱上建筑一般采用混盘一吁。{凝土材料的简支体系，结构自重大，且施工工序烦杂。借鉴国内外桥梁结构轻型化的研究成果可T—知，拱上建筑轻型化的途径主要有三种：桥道系连续化、采用组合结构或者轻质高强材料代替原有塑的混凝土结构。其中桥道系连续化是指桥道系采用了连续梁或连续刚构一连续梁组合体系，如克图2拱上立柱和盖梁结构构造图／cm罗地亚Krka桥¨⋯、日本富士川桥和美国Colo．外梁巍孛。{rado桥¨等都是采用这种结构体系；桥道系采用的组合结构常见的有工字钢一混凝土组合梁、钢卜．●_．1腹板(杆)一混凝土组合梁等，如福州青洲闽江大桥、日本矢作川桥¨等；拱上立柱采用组合结构一般为钢管混凝土结构，如湖北支井河大桥、重庆奉节梅溪河大桥等¨。本文将以420IYI跨径的重庆万州长江大桥为图3T梁跨中横断面图／cm工程背景，采用桥道系连续化和组合结构对拱上1．2试设计方案建筑进行轻型化试设计，分析拱上建筑轻型化后由于本文仅对拱上建筑轻型化进行研究，因对桥梁结构的静力与动力性能的影响，探讨其工此试设计方案仍采用原设计的混凝土拱圈结构。程应用可行性，以期为混凝土拱桥减轻结构自重，试设计方案共有4个，其中方案一和方案二的桥并向超大跨径发展提供一个有效途径。道系采用了连续化的结构形式，方案三和方案四的拱上建筑采用了组合结构，具体如表1所示。1拱上建筑轻型化拱桥试设计1．2．1桥道系连续化方案方案一和方案二均采用了变截面预应力混凝1．1工程背景土连续箱梁桥道系，为单箱五室结构，梁高由梁端万州长江大桥位于重庆万州市上游7处1．80m按二次抛物线渐变到跨中1．10m，顶km，设计荷载为汽一超20，挂．120，人群荷载为3．5底板厚为20em，边腹板厚30cm，中腹板厚26 ·8·土木工程与管理学报2012年表2各方案拱上建筑自重与拱圈内力与位移峰值比较表要振型的阻尼比偏离此值的影响mJ。假定各个结构构件处于弹性阶段，初期条件为拱桥在恒载作用下的内力状态。输人地震波采用国际上常用的强震记录——EI．Centro波，对拱桥的三个方向(纵桥向、横桥向与竖向)进行加载，其中地震动竖向分量取地震动水平分量的1／2。实际分析时，调整水平加速度峰值为0．981m／s(0．1g)，以使EI—Centro波的最大加速度值与桥位处地震烈度七度相吻合。3．2三向地震作用下横桥向特性表4给出三向地震作用下各设计方案拱圈横2．3稳定分析桥向受力特性比较。从表中可知，与原设计相比，表3给出原设计与试设计方案前三阶稳定系方案一和方案二的拱脚横向弯矩峰值分别比原设数和失稳形态比较。从方案一、二与原设计的比计减小4％与9％，而拱顶横向位移峰值相差不较可知，桥道系的连续化有利于提高拱桥的稳定大，说明纵梁的连续化可降低拱脚截面横向弯矩，性，有助于拱桥向更大跨径方向发展；从方案二、但对拱顶横向位移影响很小；方案三和方案四拱三与原设计的比较可知，随着结构自重的减小，拱脚截面横向弯矩峰值分别减小12％与13％，拱顶桥的稳定性能得到提高；从方案三与方案四的比横向位移峰值分别降低15％与18％，说明由于组较可知，虽然方案四拱上结构自重比方案三小，但合结构有效地降低了拱上建筑自重，从而大幅地受拱上立柱间距增大到42m的影响，其各阶模态减小了拱脚横向弯矩与拱顶横向位移。的稳定系数均略低于方案三，即增大立柱间距不表4三向地震作用下各方案拱圈横桥向受力性能比较利于拱桥的稳定性。2．4施工性能与原设计相比，方案一和方案二桥道系采用的悬臂现浇法的施工设备与工艺均较为复杂，且施工工期较长；方案三桥道系采用顶推法施工，可节省大量的预制场地，并缩短工期；方案四的拱上立柱采用了钢管混凝土结构形式，可利用钢管作为管内混凝土的模板，免除原设计中钢筋混凝土立柱所需的立模、绑扎钢筋和拆模等一系列施工工序，加快施工进度。表3各方案稳定系数与失稳形态比较3．3三向地震作用下纵桥向特性阶数原设汁方案一方案二方案三方案四表5给出三向地震作用下各设计方案拱圈纵9．4110．3910．4010．9410．371(对称侧弯)(反对称竖弯)(反对称竖弯)(对称侧弯)(对称侧弯)桥向受力特性比较。从表中可知，与原设计相比，12．1811．0211．13．1312．42方案一和方案二的拱顶纵向弯矩峰值分别减小(对称竖弯)(对称竖弯)(对称竖弯)(对称竖弯)(对称竖弯)表5三向地震作用下各方案拱圈纵桥向受力性能比较16．7111．79l1．8517．7917．17(反对称竖弯)(对称侧弯)(对称侧弯)皈对称竖弯)f称竖苟3抗震性能分析3．1地震响应分析计算参数采用动态时程法进行各设计方案的地震响应分析。积分方法采用振型叠加法，时间步长△t取为0．02s，持续时间为30s。阻尼矩阵采用Rayleigh模型，结构阻尼比取为0．04，且不考虑主 第1期黄卿维等：混凝土拱桥拱上建筑轻型化研究·9·2％与7％，拱脚弯矩峰值分别减小8％与9％，拱参考文献脚轴力均减小6％；方案三和方案四的拱顶纵向弯矩分别减小47％与45％，拱脚纵向弯矩分别减[1]陈宝春，叶琳．我国大跨度钢筋混凝土拱桥的现小52％与44％，拱脚轴力分别减小10％与20％。状调查与发展方向分析[J]．中外公路，2008，28与横桥向特性相似，采用组合结构拱上建筑后，结(2)：89-96．[2]韦建刚，陈宝春．国外大跨度混凝土拱桥的应用与构自重大大减小，从而降低了地震响应，有利于拱研究进展[J]．世界桥梁，2009，(2)：4-8．桥向大跨径发展。[3]CandrlieV，BleiziferJ，MandicA．BakarBridgeinReactivePowerConcrete[C]／／Proceedingsofthe4结论ThirdInternationalConferenceonArchBridge．PariesFrance，2001：695-700．借鉴于国内外相关研究成果，以420m跨径[4]CandrlieV，RadicJ，GukovI．ResearchofConcrete的重庆万州长江大桥为背景工程，通过桥道系连ArchBridgesupto1000minSpan[C]／／ArchBridge续化和采用组合结构代替原有的混凝土结构等方IV，AdvancesinAssessment，StructuralDesignandConstruction，ProceedingsoftheFourthInternational式来进行混凝土拱桥拱上建筑轻型化研究，得出ConferenceonArchBridge．BarcelonaSpain，2004：的主要结论如下所示：538-547．(1)由于原设计已对桥道系进行优化，因此[5]SpielmannA．UnArcde600Metres[C]／／Proceed—本文所进行的桥道系连续化试设计方案(方案一ingsoftheThirdInternationalConferenceonArch和方案二)对减轻拱上建筑自重的效率较低Bridge．PariesFrance，2001：683-692．(4％)，其静力性能与抗震性能提高不大(拱圈内[6]Et本土木学会．j二IJ—畏大7，一手橘一支髑力和位移峰值减小不超过10％)，但桥道系连续600my一觳施工[Mj．东京：日本土木学化有利于行车舒适，且在地震作用下能够较好地会，2003．避免落梁现象，具有工程应用价值。[7]王远洋．波形钢腹板混凝土箱拱试设计研究[D]．(2)采用组合结构替换原设计的混凝土结构福州：福州大学，2007．的试设计方案(方案三和方案四)，使得拱上建筑[8]黄卿维．钢腹板一混凝土拱面内受力性能研究[D]．福州：福州大学，2009．自重获得了大幅度的减轻，尤其是桥道系和立柱[9]缪锋．钢腹杆一混凝土组合拱桥试设计研究均采用组合结构的方案四，达到35％，其承载能[D]．福州：福州大学，2009．力极限状态下拱脚轴力、弯矩和拱顶挠度分别减[10]陈宝春．钢管混凝土拱桥(第二版)[M]．北京：人小了16％、17％和9％，三向地震作用下的拱圈拱民交通出版社，2007．脚横向弯矩、拱顶横向位移分别减小了13％和[11]范瑛，梅利芳．日本富士川混凝土拱桥的设计与18％，拱脚纵向弯矩、轴力和拱顶纵向弯矩分别减施工[J]．世界桥梁，2002，(2)：14—16．小了45％、44％和20％，说明拱上建筑采用组合『l2]DavidG，RobeaT．TheNewMike0callaghanPat结构的轻型化效果较好，即减小了承载能力状态TillmanMemorialBridgeatHooverDam[C]∥Pro—ceedingsoftheSixthInternationalConferenceonArch下拱圈内力，又降低了地震响应，而且组合结构的Bridge．FuzhouChina，2010：1—8．研究已较为成熟，并大量被应用于工程实践中，因[13]林尔渺．横梁间距、刚度对大跨度叠合梁斜拉桥承此采用组合结构进行拱上建筑轻型化在结构受力载力的影响[D]．福州：福州大学，2002．方面是可行的。[14]陈宝春，黄卿维．波形钢腹板Pc箱梁桥应用综述虽然拱上建筑采用组合结构后的工程材料费[J]．公路，2005，(7)：45—53．用将有所提高，且后期的养护工作量也较大，但考[15]四川省交通厅，四川省公路规划勘察设计研究院，虑到其结构自重降低可减小主拱圈结构尺寸、降四川公路桥梁建设集团有限公司．万县长江公路低下部结构的工程量和施工便利(如节省施工设大桥技术总结[M]．成都：电子科技大学出版社，备费用、缩短工期)所带来的经济效益，其工程总2001．造价将相差不大。随着我国经济的发展，钢结构[16]JTGD60-2004．公路桥涵设计通用规范[S]．产量和性能的不断提高，其材料费用和后期养护[17]谢旭．桥梁结构地震响应分析与抗震设计[M]．北京：人民交通出版社，2006．费用将逐渐降低，因此，采用组合结构进行拱上建筑轻型化具有相当的应用前景。