公路工程輔導(dǎo):桁式組合拱橋受力特點及施工工藝淺析

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1產(chǎn)生和發(fā)展
    大跨徑橋梁的合理結(jié)構(gòu)型式必須是結(jié)構(gòu)受力合理,能限度地發(fā)揮材料性能,同時便于施工。拱橋的主要承重結(jié)構(gòu)—拱圈,在靜載、活載作用下基本上是承受壓力,因而充分發(fā)揮了圬工材料抗壓強度高的特點,達到了節(jié)省鋼材的目的。但由于拱對墩臺產(chǎn)生的巨大推力,使得下部構(gòu)造很不經(jīng)濟。為減小拱對墩臺的水平推力,拱橋朝著主拱圈與拱上建筑聯(lián)合作用的方向發(fā)展。
    衍架拱橋整體剛度大,上部構(gòu)造自重較輕,材料較省,對地基的適應(yīng)性較強。但它畢竟是推力體系結(jié)構(gòu),隨著跨徑的增加,拱腳推力仍過大。拱衍梁橋(衍式T構(gòu))在豎直荷載作用下不產(chǎn)生推力,這對下部結(jié)構(gòu)當然有利。但這種橋?qū)儆诠靶蔚牧菏綐?,上弦拉力很大,預(yù)應(yīng)力鋼筋用量較大。如果能在采用衍式結(jié)構(gòu)的前提下,綜合拱橋和梁橋的受力特點,取其所長,就可得到一種結(jié)構(gòu)和受力都較為合理的橋型。在這種情況下,經(jīng)過貴州省交通廳和同濟大學(xué)很多橋梁專家的潛心研究;探索,衍式組合拱橋應(yīng)運而生,并采用鋼人字桅桿吊機代替了傳統(tǒng)的纜索吊機作為主要吊裝工具懸拼施—上—。
    1981年,貴州長巖大橋建成通車,初步顯示了這種新橋型和施工工藝的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)越性。主跨l50m的貴州劍河大橋的建成使這種橋型的設(shè)計方法、設(shè)計原理和施工工藝有了進一步發(fā)展。1995年建成通車的貴州江界河大橋,主跨330m,是世界跨徑的混凝土衍式橋梁,展示了衍式組合拱橋巨大跨越能力。
    2桁式組臺拱橋的力學(xué)
    衍式組合拱橋結(jié)構(gòu)的主要特點是:上弦在墩頂和拱頂之間的適當位置斷開,使上弦放松,以調(diào)節(jié)各桿件的內(nèi)力,使結(jié)構(gòu)受力趨于合理?! ?BR>    衍式組合拱橋既保留了拱式推力結(jié)構(gòu)的特性,又發(fā)揮了梁的特性,其受力特點是:
    (1)上弦在墩和拱頂之間適當位置斷開,形成斷縫,將全橋明顯地分為兩個受力區(qū)段:斷縫至拱頂區(qū)段是拱式受力體系,上弦和實腹段均受壓;斷縫至橋墩(或橋臺)區(qū)段是梁式受力體系,上弦受拉,下弦受壓。即這類橋型兼有拱和梁的受力特點,是一種拱、梁組合體系結(jié)構(gòu)。全橋可看成兩端的懸臂衍架梁,支承著中部的衍架拱。
    (2)它既不同于箱型拱、一般衍架拱那樣,全橋的負荷主要由拱圈承擔;也不象衍式T構(gòu)那樣,全橋的負荷由上弦承擔。衍式組合拱橋的拱腳彎矩和軸力比一般拱橋小,它的上弦拉力又比一般拱衍式梁橋小。即它的下弦、斜桿和上弦都充分發(fā)揮了作用,全橋受力均勻、合理。
    (3)上弦斷縫的位置,對內(nèi)力分配非常重要。斷縫越靠近拱頂,兩端懸臂衍架段就越長,梁的作用就越突出,拱的作用就越小(如斷縫移至拱頂,就成了衍式T構(gòu));相反,斷縫越靠近墩頂,中部拱的跨徑就越大,拱的作用就越突出,梁的作用就越小(如斷縫移至墩頂,就成了一般衍架拱)。所以,在跨徑、拱矢度等確定的前提下,仍可以通過選擇斷縫位置來人為地調(diào)節(jié)各桿件內(nèi)力,使全橋各桿件受力均勻,材料利用更充分、合理。
    另外,通過空間結(jié)構(gòu)分析,模型試驗和實橋靜載、動載試驗,證明衍式組合拱橋具有良好的穩(wěn)定性和抗風(fēng)、抗震性能。
    3格式組合拱橋的經(jīng)濟性
    衍式組合拱橋由于拱上建筑聯(lián)合作用好,各桿件受力均勻,所以,各桿件斷面尺寸均較小,從而減小工程數(shù)量和結(jié)構(gòu)自重。表1列出了世界各國部分跨徑在220—390m的拱橋的主拱圈高度,以資比較。
    4格式組合拱橋的懸拼工藝
    衍式組合拱橋與衍架伸臂的施工方法相配合,在結(jié)構(gòu)桿件和材料的有效利用方面,取得了比較理想的效果。衍式組合拱橋在懸拼施工中,斜桿和上弦桿的自身強度和預(yù)應(yīng)力鋼筋得到了充分利用,無需過多設(shè)置臨時桿件。而且,體系轉(zhuǎn)換完成以后,由于兩端懸臂的存在,主子L上弦根部仍處于受拉狀態(tài),從而施工中作為穩(wěn)定結(jié)構(gòu)用的上弦和斜桿中的預(yù)應(yīng)力鋼筋大部分都將保留下來作為運營階段永存預(yù)應(yīng)力鋼筋。
    用衍架伸臂法架設(shè)橋梁,因其施工過程中結(jié)構(gòu)始終是以衍架體系向前推進的,具有剛度大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點,為國內(nèi)眾多的大跨徑橋梁所采用。衍式組合拱橋在采用衍架伸臂法施工時,因其施工中穩(wěn)定構(gòu)件所需要的斜拉桿就是永久性桿件,因而顯示了更大優(yōu)越性。
    人字桅桿吊機是一種常用的起重機械,具有結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、起重量大、運轉(zhuǎn)安全可靠等優(yōu)點。針對懸拼施工中構(gòu)件不斷接長,吊機必須多次移位的特點,在人字桅桿吊機的設(shè)計中,對其靈活性和穩(wěn)定性作了改進,解決了桅桿整體移動的技術(shù)難題,從而實現(xiàn)了“用簡單機械設(shè)備架設(shè)大跨度橋梁”的偉大設(shè)想。由于桅桿本身用鋼量少,再配以必要的起重和變幅用鋼絲繩,全部吊裝設(shè)備是比較省的。150m跨徑的橋梁,采用人字桅桿吊機比纜索吊機可節(jié)省施工用鋼80%以上。
    5結(jié)束語
    衍式組合拱橋,兼有拱和梁的優(yōu)點,跨越能力強、受力合理、輕盈美觀、省工省料、施工簡便,是最適合山區(qū)的合理橋型之一。