改进的单肋系杆拱桥设计构思与关键技术

改进的单肋系杆拱桥设计构思与关键技术
0 引言
拱桥优美的外形和经济的造价符合我国的国情，因此其在我国有着悠久的历史，得到了长期广泛的应用。

我国是拱桥建造数量和样式最多的国家，在拱桥的建设技术方面也一直处于世界领先地位。

桥梁结构发展和进步的标志除了跨径的不断突破，还有桥梁结构形式的不断丰富和多样化。

上世纪60年代初，由于认识到吊杆的非保向力效应对拱桥稳定性的重要影响，高速公路桥中出现了仅在中央分隔带上设置一个承重面的单肋拱桥[1]。

1976年，日本大阪府修建了一座跨度175m的栓焊钢箱梁单肋系杆拱桥。

1994年我国建成了国内首座单肋系杆拱桥广东开平大桥，该桥为三跨预应力混凝土单肋系杆拱桥，主跨60m，边跨40m，系梁采用了多室箱梁结构。

随后，我国建成的单肋系杆拱桥还有浙江省义乌市主跨80m的宾王桥和浙江省宁波市主跨120m的琴桥等。

单肋系杆拱桥具有简洁美观、视野通透、受力合理、适应性强、经济效益显著等优点。

但是，由于体系自身的特点，一方面，单肋的构造特点使其缺少面外支承，容易发生结构的侧倾失稳，另一方面，系杆拱桥属于外部静定结构，没有限制梁端转动变形的约束，随着跨度的增大，容易产生梁端较大转角和跨中较大挠度，影响行车平顺性并给人带来较强的振感和不舒适感，以上两方面原因是制约此类桥梁向大跨径发展的重要因素，因此，传统的单肋系杆拱桥一般仅适用于中小跨径的桥梁。

为了克服传统单肋系杆拱桥的缺点和不足，提高此类桥梁的跨越能力使其具有更关阔的适用空间，对传统单肋系杆拱桥进行改进和创新，并对改进后的大跨单肋系杆拱桥关键技术进行研究，指导设计了目前国内跨径最大的单肋系杆拱桥——辽宁省庄河市干沟大桥，该桥于2013年建成通车，目前运营良好。

实践证明改进后的单肋系杆拱桥，施工工期较短，工程造价较低，经济和社会效益良好。

1 桥型方案设计构思
1.1 工程背景
庄河市干沟大桥位于庄河市环城路东段(K2+576.925～K5+625.000)跨越庄河段，庄河此处河道宽约270m。

由于庄河市已建成有悬索桥和斜拉悬吊协作体系等桥型，为了避免桥型的单一和雷同，同时为城市增添新的景观，业主综合考虑，选择了单肋系杆拱桥的结构形式。

1.2 侧倾稳定问题
单肋系杆拱桥面外无支承，拱肋的侧向刚度和抗扭刚度都很有限，随着桥梁跨径的不断增大，拱肋的长细比越来越大，结构的侧倾稳定问题更加突出，成为制约此类桥梁向大跨径发展的关键因素之一。

文献[2]研究了影响单肋系杆拱桥侧倾稳定性的主要因素，结果表明，矢跨比取1/4左右时，单肋系杆拱桥的侧倾稳定性最优；增大拱肋自身的扭转与横向抗弯刚度比或者增大主梁与拱肋的横向抗弯刚度比均可有效提高单肋系杆拱桥的侧倾稳定性，其中主梁与拱肋的横向抗弯刚度比对其影响最为敏感。

据此，庄河干沟大桥设计选择的矢跨比约为1/4.5；拱肋采用了宽高比约为1.68的箱型截面；针对影响结构侧倾稳定性的最关键敏感参数，考虑采用钢拱肋与预应力混凝土主梁相结合的混合结构单肋系杆拱桥形式来增大主梁与拱肋的横向抗弯刚度比，从而能够更加有效地提高大跨度单肋系杆拱桥的侧倾稳定性。

并非所有鹿豚的獠牙长得都一样，有些鹿豚的獠牙粗细匀称且对称，有的则弯向额头，还有的会在眼前交叉。

至于鹿豚为什么会长出上面这两颗獠牙，科学家暂时还没有定论，它们看起来似乎没有什么实际用处，而更像是一种很有个性的装饰品。

1.3 边跨布置构思与分析
传统系杆拱桥属于外部静定结构，没有限制梁端转动变形的外约束，因此，当其跨度超过一定范围后，较大的梁端转角影响行车的平顺性，且较大的主梁跨中挠度给人带来较强的振感和不舒适感，这是制约单肋系杆拱桥向大跨径发展的另一关键因素。

为了改善大跨度单肋系杆拱桥的行车平顺性和舒适度，考虑通过增加边跨来约束梁端转角，提高结构的整体刚度，改善结构的使用性
能，同时，边跨长度应尽量短，以最大程度降低结构的工程造价。

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庄河干沟大桥的设计通过合理选取主梁、拱肋与吊杆三者的相对刚度，并采取边跨压重和吊杆张拉的措施来调节边跨长度，最终干沟大桥设计的边跨长度仅为10m，边中跨比仅为0.04，从而形成了小边跨单肋系杆拱桥的结构新形式。

庄河干沟大桥总布置图如图1所示，主梁与拱肋断面如图2所示。

图1 庄河干沟大桥总布置图 (单位：m)
图2 庄河干沟大桥主梁与拱肋断面图 (单位：cm)
以庄河干沟大桥工程为背景，在结构其他设计参数不变的情况下，将改进的小边跨单肋系杆拱桥与传统的简支单肋系杆拱桥进行对比分析，得到结构的关键力学响应结果如表1所示。

表1 单肋系杆拱桥传统体系与改进体系关键力学响应对比
方案梁端转角(rad)中跨跨中竖向挠度(cm)自振频率(Hz)简支体系1.93×10-34.480.4173改进体系0.04×10-33.490.6776
表1结果可以看出，改进的小边跨系杆拱桥结构虽然仅设置了很
小的边跨，但是却有效地增加了拱脚的转动约束，控制了主梁的挠度，增加了结构的平顺性和刚度，改善了结构的使用性能，解决了传统系杆拱桥向大跨径发展过程中刚度不足引起的行车不平顺及强烈振感问题；另外，小边跨的布置还降低了工程造价，简化了边跨的配索，并能充分适应桥位地形。

2 桥型特点
庄河干沟大桥的设计通过采用混合结构以及设置小边跨的巧妙构思，在经济安全的前提下，使单肋系杆拱桥的跨径实现了突破。

改进后的单肋系杆拱桥除具有传统单肋系杆拱桥的优点外，小边跨的设置有效改善了结构的使用性能，使得行车更加平稳舒适，为大跨径桥梁结构提供了新的桥型选择。

改进的单肋系杆拱桥在使用和经济性能上都有一定优势，其缺点为拱梁连接处构造和受力较为复杂。

1.孵化器从2013年开始加快了建设速度。

调查显示，从孵化器建设时间看，2013年是一个节点。

自2007年广东华中科技大学工业技术研究院成立，到2012年底，5年时间只有6家孵化器企业建立并投入运营，而2013年一年就成功创设6家，且每年都有新的孵化器企业创建，呈井喷状态。

说明近3年来，开发区相关政策落实到位，工作经验丰富成熟，企业发展平稳有序。

选取体质量15～20 g的6～8周龄雌性C57/BL6小鼠30只(质量合格编号：SYXK2013-076)，购自川北医学院动物实验中心〔动物生产许可证号：SCXK(川)2013-18〕，在川北医学院实验动物中心〔(实验单位使用许可证编号：SYXK(川)2013-076〕无特定病原体(specific-pathogen free,SPF)条件下分笼饲养。

室温22～26 ℃，相对湿度为40%～60%。

实验细胞为小鼠LLC细胞，购自四川大学肿瘤生物治疗国家重点实验室。

3 关键技术
采用钢拱肋与预应力混凝土主梁相结合的混合结构单肋系杆拱桥，跨越能力大，工程造价低，在技术经济上更为合理，连接拱肋与主梁的钢混结合段是设计的关键，关系到整个工程的成败。

混合结构单肋系杆拱桥拱梁连接处钢混结合段截面尺寸小、连接长度短、传递轴力大、刚度要求高，为了保证结构连接可靠和传力平顺，采用PBL剪力键作为钢混结合段的主要传力构件。

虽然国内外学者对PBL剪力键进行了大量研究[3-5]，其理论研究仍严重滞后于工程实践，目前还没有形成统一的计算方法用于指导工程中PBL剪力键的设计，其设计和应用无规范可依。

实际工程中在进行PBL剪力键结构设计时，大多要通过推出试验来确定所选用PBL剪力键的力学性能，并通过取用过高的安全系数来确保结构的安全性，设计具有很大的盲目性。

庄河干沟大桥设计时，进行了A、B两组共6个试件的PBL剪力键推出试验，为工程设计提供依据，其中A类每个试件布置一个PBL 剪力键，B类每个试件上单列布置两个PBL剪力键。

试验得到A类试件的平均弹性承载力为136kN，平均极限承载力为388kN；B类试件的单孔平均弹性承载力为132kN，单孔平均极限承载力为347kN。

试验结果可以看出PBL剪力键的弹性承载力约为极限承载力的1/3左右，两层布置的B类试件较单层布置的A类试件PBL剪力键单孔承载力略小。

考虑到既要充分发挥PBL剪力键的承载能力，又要保证其安全性和耐久性，综合数值计算结果及已有研究成果，折中选择弹性极限荷载与屈服荷载的平均值作为PBL剪力键的设计承载力，从而确定庄河干沟大桥PBL剪力键的单孔最大设计承载力为其相对滑移量0.6mm时对应的承载力268kN。

对于工程造价信息化建设工作的优化，必然还需要把握好具体工具和技术的创新，这也就需要切实把握好信息化管理数据库的优化，能够确保相应工程造价信息化管理数据库具备较强的胜任力，能够较好实现对于各类数据的有效收集和汇总保存，并且在分析方面也能够实现流畅高效处理。

此外，造价信息化管理数据库还需要体现出较强的个性化效果，在统一规范要求的基础上，能够为个别工程项目提供相适宜的功能，有效满足工程项目的造价信息化管理要求。

混合结构工程中，作为传力构件的PBL剪力键总是以群的形式工作，国内外学者研究发现，沿荷载传递方向PBL剪力键群中各剪力键
的受力表现出明显的不均匀性，键群的整体受力性能与单个剪力键的受力性能存在差异，这种现象被称为“键群效应”。

由于PBL剪力键群受力的不均匀性，当受力最大的PBL剪力键达到设计承载力时，其余PBL剪力键还未充分发挥其全部效力，从而导致PBL剪力键群的整体承载力下降。

文献[2]将PBL剪力键群的单键平均承载力与单键最大设计承载力之比定义为PBL剪力键群的设计承载力折减系数，并进一步定义PBL剪力键群的实际布置层数与设计承载力折减系数的乘积为其等效传递层数，通过建立多层PBL剪力键群的数值模型，获得了PBL剪力键群等效传递层数随实际布置层数的变化规律。

庄河干沟大桥拱梁连接处钢混结合段PBL剪力键群的设计过程如下：
学生的评价是对带教老师教学工作直接和客观的评价，是衡量教学质量的指标之一[5]。

PDCA 循环带教过程中，学生自主学习，发现问题后和带教老师，直接交流，对问题的共同探讨，缩短了师生之间的距离，增加了学生和老师之间的沟通和交流。

同时增加了学生对老师的满意度。

年度考核学生对老师的满意度达到89%，较前一年同期满意度提高15%。

(1)由整体计算模型得到最不利荷载组合工况下钢混结合段所需传递的最大轴力F为216000kN。

(2)在钢混结合段横断面内布置PBL剪力键如图3所示，统计整个断面可布置的PBL剪力键个数n为114个。

图3 干沟大桥钢混结合段断面
(3)根据推出试验及数值计算结果得到单个PBL剪力键的最大设计承载力Qa为268kN。

(4)计算PBL剪力键群满足设计要求所需的等效传递层数为：me=F/Qa/n=216000÷268÷114=7.07(层)。

(5)综合确定选取干沟大桥PBL剪力键群的设计层距为200mm，根据文献[2]可知PBL剪力键群的实际布置层数大于14层即满足设计要求。

考虑到庄河干沟大桥跨径特别大，拱脚受力非常复杂，实际设计时钢混结合段PBL剪力键群偏保守地布置了20层，同时布置了栓钉剪力键作为安全储备。

干沟大桥钢混结合段PBL剪力键群立面布置如图4所示，图5为钢混结合段施工现场照片。

图4 干沟大桥钢混结合段立面布置图(单位：mm)
图5 钢混结合段施工现场
4 施工步骤
施工方法是影响大跨径桥梁能否实施的关键问题，大跨单肋系杆拱桥可以采用“先梁后拱”法施工，主梁在支架上现浇，拱肋则比较适合转体法施工。

由于桥梁跨度增大，拱肋转体的重量迅速增加，对设备的提升能力及施工过程的稳定性都是巨大的挑战。

经过方案比选，庄河干沟大桥的拱肋采用了竖向转体与整体提升相结合的施工方法，具体施工步骤如下：
(1)施工基础、桥台、临时钢管桩及支架，浇注混凝土主梁及拱梁连接处的钢混结合段，张拉主梁部分预应力钢绞线，同时在工厂分小段加工制作钢拱肋；
(2)拱肋现场分3段进行竖转或提升，在拱脚位置安装竖转铰，在拱肋分段处设置提升塔架，同时将运送至现场的小段拱肋按设计要求拼装成3大段拱肋并张拉拱肋临时系杆；
(3)依次将两边段拱肋竖转提升至预定位置，随后将中间段拱肋垂直提升至预定位置，最后连接结构合龙成拱，拆除拱肋临时系杆；
(4)拆除提升塔架，安装吊杆，张拉吊杆及主梁预应力；
三江平原2000-2015年土地利用变化显著。

耕地和建筑面积增加，其中耕地面积增加最快，15年增加6868.2km2，林地、草地、未利用土地、水域面积减少，其中林地面积减少最多，15年减少了2924.5km2，草地变化速度最快，年度变化率为-3.90%。

结果表明，湿地面积和草地面积急剧减少，林地退缩，除了很少部分流向建设用
地，其余都被耕地所代替，这一切说明三江平原土地利用方式的变化最直接的因素是农业开垦。

(5)拆除主梁支架完成体系转换，张拉主梁剩余预应力，完成桥面铺装、栏杆及人行道等附属施工，最后再调整一次索力。

拱肋施工是整个施工过程中最关键的部分，干沟大桥拱肋施工主要阶段如图6所示。

图6 干沟大桥拱肋施工过程
5 结论
对传统单肋系杆拱桥的不足进行了分析，并提出了改进措施，解决了单肋系杆拱桥向大跨径发展的技术难题，指导建设了主跨250m 的庄河干沟大桥，推动了我国拱桥技术的进步。

得出以下结论：牛羊口蹄疫症具有很强的流行性发生特性，其发病迅速，通常不需要实验室诊断就可以对其进行确诊。

但是由于口蹄疫的致病病毒类型较多，为了更好的明确致病病毒类型来进行针对性治疗，可以取部分牛羊舌面水疱皮或者是蹄部水疱液和水疱皮，放置在50%甘油生理盐水中送至相关检验单位，通过化验来明确口蹄疫病毒类型。

(1)针对影响单肋系杆拱桥侧倾稳定性的关键敏感参数，采取了钢拱肋和预应力混凝土主梁相结合的混合结构单肋系杆拱桥形式，提高了大跨单肋系杆拱桥结构的侧倾稳定性。

林业推广工作性质特殊，长时间之内都需要投入大量的人力和物力资源，这离不开资金的支持，传统的林业技术推广的资金来源大多都是政府投入，但是随着互联网的发展与经济的发展，很多的地区进行林业技术推广工作开始慢慢的融入社会资金。

比如为旅游产业和经济林木产业提供更多优惠的政策支持，让一些合规合格的企业提供技术推广的资金支持，一方面拓宽了技术推广资金的渠道，另一方面也更好地保障了企业的生产效益，实现了正循环。

鼓励民营企业参与到现代林业建设中是符合市场经济要求和时代发展趋势的。

(2)对传统系杆拱桥进行改进，在桥梁两端增加小边跨，形成小边跨系杆拱桥的新型结构形式，在最大程度降低建设成本的基础上，解决了传统系杆拱桥向大跨径发展过程中由于刚度减小引起的行车平顺性和强烈振感问题，改善了结构的使用性能，提高了结构的跨越能力。

(3)给出了混合结构PBL剪力键群的设计计算方法并应用于大跨单肋系杆拱桥中，避免了由于缺乏理论依据，盲目设计带来的安全隐患或经济性问题。

赵：2004年，受我校情报研究中心主任王金夫教授之邀，我开始在校情报研究中心承担情报学硕士研究生培养工作。

当时我在新校区工作，而情报研究中心设在嘉定校区。

因此，除中心的重大活动以及学位论文答辩外，我平时很少有时间去嘉定情报研究中心。

为了解和
掌握学生的学习及研究情况，我一般与研究生约定下班之后在嘉定校区图书馆见面。

通常至少一个月约定与学生见一次面。

特别在学位论文开题之后，会为学生制定撰写学位论文的具体时间进度，并按照规定的进度检查执行情况。

参考文献
[1] 项海帆, 钱莲萍. 单承重面拱桥侧向稳定的实用计算：中国土木工程学会市政工程专业委员会城市桥梁学术会议[C]. 1987.
[2] 许斐. 单承载面下承式连续梁拱组合体系桥结构性能相关问题研究[D]. 大连: 大连理工大学,2017.
[3] Fei Xu, Zhe Zhang, Dehui Wang, et al. Application of a Perfobond Rib Shear Connector Group in a Beam-Arch Hybrid Bridge [J]. Structural Engineering International, 2015,25(4):414-418.
[4] 张清华, 李乔, 卜一之. PBL剪力连接件群传力机理研究(Ⅰ)——理论模型[J]. 土木工程学报, 2011,44(4):71-77.
[5] 张清华, 李乔, 卜一之. PBL剪力连接件群传力机理研究Ⅱ:极限承载力[J]. 土木工程学报,2011,44(5):101-108.。