本文内容:
国内外著名钢桁拱桥
连续钢桁拱桥力学特性
钢桁拱桥施工关键问题
1.国内外著名钢桁拱桥
在斜拉桥、悬索桥尚未普及的时期,相当长一段时间内,钢桁拱桥是大跨度桥梁的主要结构形式。钢桁拱桥的发展与材料的进步、焊接技术的完善、施工的成熟等密切相关。
1916 监狱门钢桁架拱桥,美国 - 298 米,4 轨铁路,里程碑式钢桁架拱桥
悉尼大桥只有一个角度看上去不太美,那就是桥面,受限于之前的焊接和连接技术,杂乱的铆接杆件显得过于复杂;
就如同一颗明星,你只能远远的看见他,如果你仔细观察,就会发现他和普通人一样有瑕疵。
悉尼大桥 - 跨度 503 米,宽 49 米,8 条车道,4 条铁路车道
1931年 美国 贝永桥 504米 美国桥先于悉尼桥修建,以维护自尊
1977年 美国新河谷大桥,主跨518米,钢桁拱桥,桥面采用沃伦桁架梁
重庆朝天门190+552+190m双层钢桁拱桥,双层车道,上层6车道公路,下层2车道公路、2条轻轨
万州长江大桥采用刚拱柔性梁结构,跨度布置为168.7+360+168.7m连续钢桁拱梁。
南京大胜关长江大桥跨度为连续钢桁拱梁,主桁长度为108+192+336+336+192+108m,主桁两侧各设4条铁路线和1条轻轨。
柳州纬一桥为108+288+108m连续钢桁拱桥,总宽43.5m
济宁南二桥布置形式为连续钢桁拱,主桥宽度为81+198+81m,总宽度为41m
2 连续钢桁拱桥受力特性
连续钢桁拱桥是一种中间设有系杆拱桥的连续梁结构,兼有系杆拱桥和连续梁桥的特点。
1)首先,它是连续梁,具有连续梁的受力特征,中间支撑处为负弯矩,上弦受拉,下弦受压钢结构连续梁,跨中处为正弯矩,系梁受拉,上下拱肋组成的桁架拱受压;
2)中拉杆拱,拱的推力由拉杆承担,看上去是无推力拱。桁架拱的强度只要求有能横向传递荷载的柔性桥面,因此立面上的拉杆梁很软;
3)桁架拱桥的拱肋特点是可以利用减小的材料截面获得较大的纵、横向弯曲刚度,杆件主要承受轴向力,从而最大限度地发挥材料的特性。
桁架拱肋与箱型拱肋相比,减轻了拱肋自重,使拱桥的跨越能力更大,桁架拱肋具有各节间构件可灵活改变截面尺寸和钢材种类的特点。
特别是对于只能通过公路运输的地区,桁架拱肋减少了运输和安装条件的限制。
4)中支撑加劲弦的设置,大大减小了施工时合拢前悬臂的受力,同时减小了支撑杆件的吨位和尺寸;
5)中桁系杆拱承担自重及节间长度吊杆的集中力,上、下拱肋组成的桁架拱跨具有正弯矩,下拱肋受拉,上拱肋受压,因此上拱肋最大构件位于拱顶。
下拱肋最大构件在拱脚处(下拱肋与系梁相交处),下拱肋是真正的主要承重构件。
桁架拱是将杆件在高度上拉开,将(箱形拱)压弯构件转变为(桁架拱)轴力构件,增大了跨度承载力,与边跨完美结合。连续梁当然受力与简支梁相同。
3 连续钢桁拱桥受力特性
大跨度钢桁拱桥通常按先边跨、后中跨的顺序拼装构件,边跨一般采用临时墩拼装,中跨采用梁式起重机或塔吊悬臂拼装。
1、施工中的几个关键问题:
1)跨中悬拼抗倾覆问题。边跨越短,抗倾覆问题越严重。通常通过在边支附近加重、设置配重索或在跨中设置临时墩来解决;
2)中跨悬臂拼装时,施工中中支撑上缘最大负弯矩作用下杆件应力过大,通常采用塔拉索来减小中支撑上缘最大拉应力,由拉索和塔架共同参与悬臂钢桁拱受力,形成“斜拉桥”体系。
根据施工方案计算确定缆索的张拉时间、张拉力;
3)桥面是否与主桁同步安装;
4)合拢尺寸的调整。有拱肋合拢和下弦桥合拢。最常用的合拢调整方法有:
调整顶部落梁及拉索标高,通过纵向位移、临时拉杆等方式调整接头口纵向距离,使接头口满足接头杆要求;
5)合拢前,活动中墩临时锁定,纵向位移,合拢后解除锁定,进行体系转换。
边跨安装
拱梁履带起重机总成
2.建筑物抗倾覆稳定性计算
塔架电缆
可采用配重索、临时重物等防止倾覆,从重物作用效果上看,以压在侧支撑后方为最佳,防止向中心支撑周围倾覆,但重物必须保证桥面构件受力。
考虑到合拢时纵向移动的需要,在一侧采用配重缆绳,在纵向移动侧采用临时重物,柔性配重缆绳可实现侧支的升降梁操作。
根据规范要求,桥梁跨度结构在施工期最不利计算荷载组合下的倾覆稳定系数不小于1.3,即:稳定矩/倾覆矩>1.3
3. 塔的设置
塔架电缆
当桥面与主桁同时施工时,悬臂受力最为不利,通常采用塔拉索,以减小中部支撑上缘最大拉应力。由拉索、塔参与悬臂钢桁拱受力,组成“斜拉桥”体系,增加梁高,以解决悬臂梁根部应力,避免施工时控制杆受力。
同时,电缆也是调整接头垂直度的手段。
1)将钢梁悬臂组装(或用扣索组装悬臂)至收口处。
2)针对钢桁架(拱)收口下垂的情况,通过辅助手段(下沉边撑或张拉索)将收口拉直。同时,由于拉直过程中造成收口水平距离增大,需对钢梁一端向跨中方向加预偏。
封口调整
3)与缆索相比,通过升降梁使合拢口垂直时,钢梁合拢口的水平距离较大,相应钢梁端部向跨中需有较大的预偏置值。
4)安装完合拢杆后,释放拉索(或将边支撑提升至设计标高),结构在自重作用下由悬臂梁受力状态转为连续梁受力状态。
此过程为悬臂改连续的过程,钢梁在合拢前为两支点悬臂梁(或两支点加拉索的悬臂梁),在安装合拢口杆后,通过松开拉索(或升降边支撑点)实现悬臂改连续的过程。
4 钢梁闭合条件对结构内力的影响
在悬臂渐连续过程中,合拢条件直接影响合拢措施,而合拢措施又直接影响合拢后的受力,可分为以下几种情况:
1)调整结构制造线形状,直接通过构造线形状的改变实现闭合:
此过程不需要起升、下放梁,也不需要张拉索,合拢后结构在自重作用下产生的内力即为悬臂梁的内力,预应力混凝土连续梁的合拢即为此过程。
由于该方案接近悬臂梁内力,中支座(或拱脚)处杆件根部受力较大,跨中(或拱顶)处受力很小,根部受力往往控制杆件的最大尺寸(包括宽度、高度、板厚),实际钢梁施工中很少采用。
2)保持结构制造线形,钢梁构件不因施工而改变,通过张拉缆索(或升降梁)实现合拢,合拢后结构内力即为成桥内力。
此法是目前大多数钢桥合龙方法。
对于由一定的外荷载、结构体系、支承边界条件、单元无应力长度和无应力曲率构成的结构,相应的内力与位移是唯一的,且与结构的形成过程无关。
这就是无压力状态的原理。
5.钢桁拱其他施工方法
先拱肋,后桥面,顶部落梁和临时拉杆法
先做拱肋钢结构连续梁,然后做桥面、顶部落梁和临时墩
先拱肋、后桥面、顶梁塔索紧固
拱肋与桥梁同步,顶梁与临时墩、临时支撑杆同步。