城市异型拱桥造型与设计

城市异型拱桥造型与设计

0系杆系杆系杆系杆系杆系的美学分析下承式钢筋拱桥属于无浮力的梁式拱桥。它的压力合理，外形美观，结构简单，施工方便。本文所述异型拱桥是将全部吊杆按照一个斜率布置,其拱轴线为一种偏态曲线的系杆拱桥。由于社会的进步和生产力的迅速发展,桥梁结构不单单是为了满足实现其跨越沟壑和障碍这一最基本的功能要求,人们对于桥梁美学给予了空前的重视,对造型的美学效果提出了越来越高的要求。近年来,新材料、新工艺的应用和普及,更为桥梁造型的日益丰富多彩和桥梁美学要求的实现提供了便利的条件。虽然国内已经建造了数座异型拱桥,但对其力学特性以及各几何参数的变化对其内力的影响规律的研究还不够深入细致,本文则试图对此进行进一步的研究,以便为今后的研究和设计工作提供参考依据。1非点端结构的力学特性1.1无推力梁拱结构异型拱桥将普通下承式拱桥竖向布置的吊杆斜向布置,推导出在拱圈自重和斜向吊杆力作用下的合理拱轴线方程。由于斜向力的作用,拱轴线线型自然偏向一边,形成偏态不对称的曲线,这就是异型拱称呼的由来。异型拱桥采用无推力的梁拱组合体系,大类上仍属于系杆拱结构,保留有系杆拱的结构特点。首先,桥面荷载通过横梁传给吊杆,再由吊杆传至主拱结构,最后再经由系梁支座传力至下部结构;主拱的水平推力则由系梁承担,并不传给下部结构。其次,系梁和拱圈均有一定的刚度,共同承受荷载,亦即都承受轴向力和弯矩。系梁和拱肋端部刚性连接,结构为外部静定、内部超静定结构。就异型拱桥本身而言,由于斜吊杆的水平分力作用,使得不仅在拱圈,而且在系梁与斜吊杆相接的部位,都将产生轴力的突变现象。系梁轴力将节节变大,其中拱头(较陡侧)处系梁轴力值较小,拱尾(较缓侧)处系梁轴力较大。当拱顶倾出桥跨以外时,系梁拱头侧还将出现压力,这是异型拱桥的独特之处。1.2双跨异拱结构结构根据作者所掌握的资料,目前国内已建的异型拱桥共有5座,全部为城市桥梁,分布在城区有较多行人过往处,对美观效果的要求较高。事后证明,建造于城市中的异型拱桥,在保证结构经济合理的条件下,造型美观,能够取得较好的美学效果。这5座桥的概况如下:(1)安阳市东风桥,采用双跨异型拱桥整体布置成对称形式,计算跨径2×55m,矢跨比1/4,吊杆斜率1.25∶1(高∶水平投影长度,下同),吊杆间距4m。(2)哈尔滨宽城桥,跨径36m,拱矢高中拱为10m,两边拱为7m,是由3片独立拱架组成的异型拱结构,图1为建成后的宽城桥照片。(3)哈尔滨动物园1#桥,计算跨径30m,宽5.7m,拱矢高8.5m,吊杆斜率0.67∶1,拱顶倾出拱跨之外,拱肋系梁均为钢筋混凝土结构。(4)沈阳新开河异型拱桥,该桥主跨双孔对称,跨径2×20m,拱矢高5.1m,桥宽18m,吊杆斜度75度。(5)北海市北海大道西路立交桥,跨径为2×36m,矢跨比采用1∶4,桥宽36m。2异形拱结构的有限元计算异型拱桥属外部静定、内部超静定的结构,单跨呈不对称状态。为了解结构的内力特征,本文应用西南交通大学编制的桥梁结构分析系统软件BSAS程序,对一20m跨径、7吊杆、吊杆间距为2.5m的异型拱结构的内力进行计算,单元划分简图如图2所示。将异型拱桥计算结果和普通正型拱结构的计算结果进行比较,并对矢跨比、吊杆斜率的变化对结构内力的影响进行计算和分析。2.1拱肋轴力分析恒载作用下的两种拱桥的计算内力分别如图3和图4所示,恒载+活载作用下的内力包络图如图5和图6所示。其中图3和图5所示异型拱桥吊杆斜率为1.25∶1,矢跨比f/L采用1/4。结构内力的最大和最小值及其比值如表1所示。由图3可看出:采用斜吊杆的异型拱桥,在恒载作用下,系梁的最大弯矩值比正型拱桥大,最小值又比正型拱小许多,系梁轴力由于斜吊杆的水平分力作用,各节段轴力不等,有节节变大的现象,结果使得系梁轴力最大值为正型拱的1.48倍,最小值仅为正型拱的0.42倍(见表1);拱肋正负弯矩的极值均比正型拱的大,拱脚处负弯矩和跨中处拱肋正弯矩分别是正型拱的1.19和1.68倍。拱肋轴力则是有大有小,分别是正型拱的1.22倍和0.88倍。说明采用斜吊杆的异型拱桥,在恒载作用下,系梁弯矩和拱肋轴力与正型拱相比有大有小,分布不如正型拱均匀;拱肋弯矩值比正型拱相应值要大些。系梁和拱肋轴力由于斜吊杆的水平分力,各节间有轴力突变现象。图5和图6给出了恒载+活载作用下的结构弯矩和轴力包络图,表2示出恒载+活载作用下的两种拱桥的结构内力极值。由表2中数据可看出,异型拱桥在恒载+活载作用下结构内力比正型拱桥略大,其中以拱肋结构的弯矩值差别较为显著;系梁弯矩值相差很小,但在拱脚处相差较大,可达到20%以上。系梁轴力由于异型拱桥的节节变大现象,其一端轴力约为正型拱桥的1.52倍,另一端轴力却仅为正型拱桥轴力的43%;拱肋轴力也由于斜吊杆的沿拱肋切线方向分力的作用,使得其轴力最大值比正型拱桥轴力最大值大28%,最小值又比正型拱桥轴力最小值小27%,其位置分别在拱肋的拱脚和拱顶处,这一点异型拱和正型拱是相同的。2.2恒载+活载作用矢跨比f/L=1/4的异型拱桥恒载内力图和内力包络图分别如图3和图5所示。在其余条件不变的情况下,改变矢跨比分别为1/3和1/5时的恒载内力图和内力包络图如图7和图8所示。以矢跨比f/L=1/4时的结构内力为基数,系梁、拱肋恒载内力极值如表3所示,表4为恒载+活载作用下的结构内力极值。由表3数据比较可看出:矢跨比对恒载引起的结构内力影响很大,矢跨比减小时,拱肋的弯矩有所减小,系梁拱头端弯矩略增大,其中以拱肋部分弯矩变化幅度较大;轴力随矢跨比的减小而增大,幅度更大,拱肋部位可达20%以上,系梁轴力增辐可达50%以上。由表4所示数据可看出,异型拱桥在恒载+活载作用下,随着矢跨比的减小,结构弯矩有所减小,轴力有所增大。系梁轴力比值和拱肋轴力比值同恒载作用下的比值相差不多,说明矢跨比改变时,活载对结构轴力影响不大,对结构弯矩影响较大。2.3结构内力分析当对异型拱结构采用不同吊杆斜率时,将引起结构内力的变化。本节分别计算吊杆斜率为1.0∶1、1.25∶1、1.5∶1时的异型拱桥结构内力,表5示出了恒载作用下的恒载内力以及以吊杆斜率为1.25∶1的结构内力为基数的内力比值。由表5中数据可看出:随着斜率的增大,拱肋和系梁弯矩有所减小,且全梁弯矩值呈减小的趋小值的差别趋于减小。拱肋弯矩有所减小,分布趋于均匀。轴力的变化有大有小,表现为最大值减小,最小值有所增大,差别趋于减小。恒载+活载作用下的结构计算内力如表6所示。表中数据表明:吊杆斜率变大时,异型拱桥在恒载+活载作用下,拱肋弯矩有所减小,内力极值的变化为最小值增大,最大值减小,整体差别不大,内力的分布呈减小趋势,最大值与最小值的差值越来越小。3异形系杆拱肋的分布及形态分析通过实桥建造效果以及对各种情况下的结构内力的计算和分析,可得到下述结论:(1)异型拱桥造型美观,构造简洁,可结合环境进行组合变化,非常适合于城市桥梁。(2)异型拱桥系梁轴力由于斜吊杆的水平分力作用,各节段轴力不等,有节节变大的现象,这是异型拱桥的独特之处。(3)异型拱桥在恒载作用下的结构内力比普通正型拱大,内力大小的分布不如正型拱桥均匀。在恒、活载共同作用下,系梁弯矩相差不大,差值均在5%以下;拱肋弯矩的差别较为显著,异型拱桥弯矩值比正型拱桥相应值大。轴力与正型拱相比则是有大有小,分布不如正型拱均匀。(4)