钢管混凝土拱桥吊杆更换优化设计-桥梁与隧道工程专业论文.docxVIP

PAGE PAGE 10 1 绪 论 1.1 钢管混凝土拱桥应用与发展 拱桥作为一种历史最悠久的桥型之一，是人类在桥梁结构中最早最伟大的发明 之一，其发明让人感到惊奇[1]。拱桥因其独特的受力特性、体系的多变性以及优美的 外观，不管是在古代还是现代都得到了不断的发展与创新。伴随着建筑材料的发展 以及理论研究的深入，拱桥的结构形式也在不断的发展与创新。 从公元前修筑的石拱桥，到 18 世纪英国工业革命后，铁和钢被应用于桥梁结构 之中，随着水泥以及钢筋混凝土的出现，混凝土及钢筋混凝土拱桥开始被广泛的修 建，时至今日钢筋混凝土拱桥仍然是在拱桥中应用最多的一种桥型。 钢管混凝土拱桥因其施工方便，材料强度高[2]在我国得到了广泛的发展，从 1990 年我国修建的第一座钢管混凝土至今，跨径大于或等于 50 m 跨径的钢管混凝土拱桥 已达 200 多座，随着计算理论的完善以及施工技术的进步，钢管混凝土拱桥的跨径 也在不断的突破，从 1990 年修建的四川旺苍大桥到 2005 年修建的四川巫山长江大 桥，跨径从 115 m 跃至 460 m。 虽然我国钢管混凝土拱桥的应用处于国际领先水平，但更多的都是集中于桥梁 实际应用过程之中，对桥梁设计理论研究尚不深入与具体，还未达到成熟阶段，理 论的不完善也制约了钢管混凝土拱桥的进一步发展，但随着相应的设计及施工规范 的形成[3]、以及科研项目的开展，理论严重滞后实践的局面将会改变，相信钢管混凝 土拱桥的应用和研究也会健康持续的发展下去。 1.2 钢管混凝土拱桥结构体系 钢管混凝土拱桥在我国应用及发展已有 20 多年，与钢筋混凝土拱桥类似，其结 构体系也十分丰富，不同的结构体系对应不同的结构特点以及受力特点，因此对其 结构体系的了解，也是进行此类桥梁设计及施工的基础。钢管混凝土拱桥按照其结 构体系可分为简单体系拱桥、组合体系拱桥与刚架系杆拱桥[4]。 1.2.1 简单体系拱桥 简单体系拱桥（图 1-1）是最早出现的拱桥形式，为有推力拱桥，推力直接由墩 台及基础承受，桥道系为局部受力与传力结构，不与主拱联合受力，主拱为主要承 重构件。根据主拱圈的受力特点，又可分为无铰拱、二铰拱、三铰拱。 图 1-1 简单体系无铰拱桥 1.2.2 组合体系拱桥 组合体系拱桥[5]又可分为有推力和无推力拱两种。 1、有推力拱梁组合拱桥 有推力拱梁组合桥的推力仍由墩台及基础承受，与简单体系拱桥不同的是，桥 道系为连续结构，通常将桥道纵梁、立柱、主拱固结，主拱与桥道共同受力，有推 力拱梁组合桥主要用于上承式拱桥。因为有推力拱梁组合桥中桥道纵梁亦为主要受 力构件，其刚度一般较大，根据拱肋与桥道纵梁相对刚度关系又可分为刚性梁柔性 拱（倒朗格尔拱）（图 1-2a）、刚性梁刚性拱（倒洛泽拱）（图 1-2b）。 a） b） 图 1-2 有推力的组合体系拱 a)刚性梁柔性拱；b)刚性梁刚性拱 2、无推力拱梁组合拱桥 拱和梁在桥梁两端固结，中间用吊杆或立柱连接，然后简支于桥梁墩台上，根 据其受力特点及构造，主要用于下承式拱桥中。从结构体系上看，无推力拱梁组合 桥属于外部静定，内部超静定结构，拱的水平推力由梁（拱梁组合体系中亦称“系 梁”）承受，墩台的受力与简支梁一样，因此，在地质情况不好的条件下可采用此种 结构。根据拱肋和系梁相对刚度的大小，可分为柔性系杆刚性拱—系杆拱（图 1-3a）、 刚性系杆柔性拱—朗格尔拱（梁）（图 1-3b）、刚性系杆刚性拱—洛泽拱（图 1-3c）。 在钢管混凝土应用的主要为刚性系杆刚性拱。 a） b） c） 图 1-3 无推力的组合体系拱 a) 柔性系杆刚性拱；b)刚性系杆柔性拱；c)刚性系杆刚性拱 3、刚架系杆拱桥 刚架系杆拱是随着钢管混凝土拱桥的应用而发展起来的。之所以称之为刚架系 杆拱，是因为其拱肋与桥墩固结，属刚架结构，又带有系杆。刚架系杆拱主要靠系 杆的预加力来平衡拱的水平推力，属于主动平衡力。而在拱梁组合体系中，系杆主 要是以较大的抗拉刚度来承受拱的水平力，属于被动平衡力。在刚架系杆拱中，若 水平推力超过了预加力，由于系杆相对桥墩及其基础来说抗推刚度小，拱肋产生的 被动平衡力主要由桥墩及其基础承受，因而当考虑系杆变形的情况下刚架系杆拱属 于有推力结构。一般情况下，系杆的预加力主要是用于抵消恒载作用下拱产生的水 平推力，活载作用下的水平推力主要由桥墩及其基础承受。刚架系杆拱可分为下承 受和中承式两种，如图 1-4 所示。下承式系杆拱以单跨为主，多跨系杆拱桥一般为三 跨结构，主跨为中承式，两个边跨为上承式半拱，系杆张拉锚固于两个边跨两端用 来平衡拱的水平推力。 a） b） 图 1-4 刚架系杆拱 a)下承式；b)中承式 1.3 钢管混凝土拱桥的吊杆 中、下承式钢管混凝土