大跨度钢桁架拱桥技术分析

总第210期2005年第3期交通科技
TransportationScience&TechnologySerialNo.210No.3June.2005
大跨度钢桁架拱桥技术分析
施曙东
(上海第一市政工程有限公司上海200048)
摘要介绍国内外有代表性的大跨度钢桁拱桥,并对这种体系在建造中应注意的关键技术问题进行分析,为今后我国大跨度钢桁架拱桥的建设提供借鉴。

关键词拱桥桁架稳定
钢桁架拱桥具有外形美观、用钢量较省、跨越
能力较大等优点。

经超过500m的刚度较大,,钢桁拱桥不失为一种较佳的大跨度桥梁方案。

1几座有代表性的钢桁架拱桥1.1悉尼港湾桥
1.21973年(见
)3跨连续加劲拱,中间两支座为固,两端为活动支座。

中跨跨长为382.63m,中跨拱矢高103.83m,拱肋为箱形截面,两拱肋间距23.47m。

该桥具有双层桥面,两桥面高差为10～11m,上层为钢桥面板,下层为混凝土桥面板,桥面宽20.73m。

该桥的最大特点为中跨的架设方法,中央的275.185m的桥梁部分重约6000t,是一次提升架设起来的[1]。

悉尼港湾桥位于澳洲悉尼港,系公铁两用钢桁架拱桥,桥面设有两条城市电车道,该桥于1931年建成(见图1)。

拱肋采用双铰桁拱,两铰设置在拱肋下弦的两端。

钢拱跨长503m,矢高107m,两拱肋中心间距为30m。

拱肋的高度是变化的,拱桁高
度在拱顶处为18m,在拱趾处为57m。

由于靠近拱趾处的下弦,受力较大,拱的推力几乎全由下弦承受,所需的截面面积远远大于其他的下弦杆。

为了拼接方便,所有下弦杆的截面宽度相等,同时还考虑到减少杆件的受风面积,并加强弦杆的侧向刚度,故下弦杆选用了4块腹板组成的箱形截面[1]。

图2弗里芒特桥
1.3新河谷桥
美国西弗吉尼亚的新河谷桥建于1977年(见
图3),该桥全长923.5m,主跨跨径为518.20m,宽22m,在水面以上268m立柱的箱形截面
具
图1悉尼钢拱桥
图3
新河谷桥
收稿日期:2005201225
50施曙东:大跨度钢桁架拱桥技术分析2005年第3
期
有强烈的锥度,桥梁纤细而精美,欧洲式的桥面结
构,不但使风载减小,而且使结构的外观更漂亮。

拱圈为桁式,拱上立柱间距
42.5m。

以钢桁架为行车道。

新河谷桥采用的都是由倒“Z”字型或“X”型“、工”字型构件铆接而成的桁架拱,这是因为无法突破“焊接应力”这一禁区[1]。

1.4傍花大桥汉城汉江上的傍花大桥(见图4)全长2559m,主跨为540m,对称的钢桁拱肋象征着一架飞机正在起航。

由于桥址处为20m的堆积层,而持力层位于地下36～40m深处,因此,河床处采用沉井基础,岸跨采用现浇混凝土桩395根,基础管桩953根。

根据上部结构的宽度、经济性、美观、通航净空和施工难度确定了桥墩的形式桥墩的施工过程中,同。

引。

为,拱肋施工采用分段悬拼法。

每片吊装重量为100～200t,吊装设备为200t的浮吊起重机[1]。

江长江大桥在建设过程中,分别对H截面的压杆稳定、15MnVN钢的性能、56mm 的厚板焊接技术等方面进行了专题研究[1]。

2大跨度钢桁架拱桥建造的关键问题
2.1大跨度钢桁架拱桥的钢种选用原则[2～3]
(1)充分掌握各种钢材的强度特性,以便能
图4傍花大桥
1.5九江长江大桥
九江长江大桥位于风景秀丽、闻名中外的庐
山脚下的白水湖畔(见图5)。

主桥采用3
跨刚性
图5九江长江大桥
梁柔性拱方案,主跨布置为:180m+216m+180
m。

在三大拱中,中拱矢高32m,边拱矢高24m。

其钢桁架梁高度约为16m,宽度为12.5m。

全桥采用15MnVN钢,焊接最大板厚为56mm。

九
针对各杆件的应力状态合理地选用钢种,使所选钢材的强度得以充分利用。

(2)在杆件的连接部位,为了不使截面尺寸发生过大的变化,。

(3)行,,。

(,。

2.2大跨度钢桁架拱桥的节点设计注意事项[4](1)尽可能使同一节点的各杆件截面的重心轴交汇于一点,以免由于偏心的影响而增加杆件的次应力。

(2)为使杆件端头的连接螺栓受力均匀,应使螺栓群的重心布置在杆件截面的重心轴上。

(3)节点构造应紧凑刚劲,各杆件应尽量伸入节点,使节点板变小,从而可减少节点刚性次应力,并可加强节点外刚性。

(4)对于大型的整体节点,因为其细节构造复杂,应对其进行模型试验研究。

通过试验掌握节点的疲劳容许应力、极限承载能力等基本数据,为节点设计提供保障。

2.3大跨度钢桁架拱桥的动力分析[5]大跨度钢桁架拱桥的动力分析,主要包括自振特性分析、移动车辆荷载下的强迫振动、桥梁的抗风与抗震分析。

要分析大跨度钢桁架拱桥在外荷载作用下其动力相应程度,首先要分析其结构自身的固有频率。

目前通用的方法为将结构作为弹性体,建立空间有限元模型来计算其自振频率和固有振型。

研究车辆荷载的强迫振动时,列车作用下的车桥耦合现象最为突出。

因此对于铁路桥梁移动荷载动力作用,主要研究以下两项内容:①以车辆、轮轨和桥梁三者综合的动力系数为对象,研究当列车高速过桥时的车桥耦合竖向振动;②与现场测试相配合,用随机振动理论研究列车高速通过桥梁时由于轨面不平和轮轨间蛇行运动等随机因素引起的横向振动。

最终确定桁架桥的竖向和2005年第3期施曙东:
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横向刚度是否满足设计要求。

对于大跨径的桥梁来说,其抗风及抗震能力往往对设计起控制作用。

针对大跨度钢桁拱桥的自身特点,对其侧向弯曲2扭转的动力研究不容忽视。

而且,由于钢桁架拱桥的拱脚处腹杆通常较长,杆件的涡流激振现象也应该引起重视。

为了确保桥梁的抗风安全性,对全桥应进行理论分析和气动模型风洞试验研究。

在桥梁抗震中,首先要根据规范要求进行反应谱法分析。

但反应谱理论无法反映许多实际的复杂因素,例如大跨径桥梁地震波输入的相位差、结构的几何和材料非线性、地基与结构的相互作用等问题。

为了能够精确地计算结构
的地震响应,尤其是大跨径桥梁和抗震要求高的桥梁,需要进行动态时程分析。

2.4在对稳定的研究中,[(1)杆件局部的失稳引起的。

在大跨度钢桁架拱桥中,有许多大型的受压弦杆和腹杆,而目前我国在大型钢桥压杆设计时尚无自己的规范,只能参照其他国家的有关规定,如欧洲钢结构协会ECSS的建议和英国BS5400规范等。

因此,考虑杆件宽度和厚度方向残余应力分布和初偏心等因素影响,研究压杆极限承载力是十分必要的,可以为大型压杆的设计提供理论依据。

(2)结构整体失稳对结构进行极限承载能力分析的目的在于准确地确定结构的安全性,为设计提供合理的安全系数。

通常进行桥梁极限承载力分析的内容为:在考虑几何、材料非线性的基础上,确定大跨度钢桁架拱桥从加载至达到极限承载力时失稳过程的受力特性、失稳类别及失稳模态。

同时,确定影响钢桁架拱桥极限承载力的各种参数。

2.5大跨度钢桁架拱桥的制造与施工
近年来我国已经建造了九江长江大桥和芜湖长江大桥两座大型的钢桁架公铁两用桥,在大型钢桁架制造和架设上积累了许多宝贵的经验。

但施工中的稳定问题不容忽视。

因此,在大跨度钢桁架拱桥的设计中,应当利用空间有限元程序对其施工过程进行仿真分析,确定其在施工过程中的受力和稳定状态,进而判断其施工方法的合理性[7]。

3结语
,希望通过这几座、材料、技术和工艺的研究和创新,使我国钢桁架拱桥建造的总体水平有很大的提高,并在公、铁两用桥的建造中步入世界先进行列。

参考文献
1李富文,伏魁先,刘学信.钢桥.北京:中国铁道出版
社,2002167～892小西一郎.钢桥1第3分册.戴振藩译1北京:中国铁道出版
社,19801119～127
3李国豪.桥梁结构稳定与振动.北京:中国铁道出版
社,200211～34史永吉.面向21世纪焊接钢桥的发展.中国铁道科
学,2001(5):1～95潘际炎.大跨度钢桥.中国铁道科学,2000(2):1～66潘家英,张国政,程庆国.大跨度桥梁极限承载力的几何与材料非线性耦合分析.土木工程学
报,2000(1):5～8
7刘岚,严国敏.高性能钢材.国外桥梁,1997(1):
50～55
TechnologyAnalysisofLong2SpanSteelTrussedArchBridges
ShiShudong
(ShanghaiNo.1MunicipalEngineeringCO.,LTD,Shanghai200048,China)
Abstract:Therepresentativelong2spansteeltrussedarchbridgesintheworldareintroducedint hispaper.Basedonthesebridges,thekeytechnicalproblemsintheproceedofconstructionarein
vestiga2ted.Itisthepurposetotakehelpforconstructionoflong2spansteeltrussedarchbridgesi nourcoun2try.
Keywords:archbridges;truss;stability。