鹰形人字拱斜拉桥的设计与分析.doc

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1、鹰形人字拱斜拉桥的设计与分析葛胜锦林立苏德俊（重庆交通学院）【摘要】提出一种新型的组合桥型--鹰型人字拱斜拉桥。本文强调桥梁设计应综合考虑使用功能、力学特性。建筑艺术以及与环境的协调性。文章介绍了它的空间构成，分析了它的受力特征，论证了该结构的科学性、合理性与先进性。并从整体上阐述该结构的适用范围、时代特征及现实意义。关键词异形拱桥人字拱斜拉桥翼形桥塔造型艺术一、引语桥梁建筑作为现代文明中不可缺少的实用性建筑结构物，首先应满足使用功能的需要，然而一座优秀的桥梁往往以其雄伟壮丽、精巧隽秀而显示出人民的创造力，以其先进的技术、精湛的工艺反映出

2、社会的生产水平，更以其磅腐气势、雄伟浑厚标志着时代精神，从而成为一项艺术杰作。为了保证现代桥梁的新、美、稳的建筑特性，以及日新月异的世界发展所要求的鲜明时代特征，如何突破传统的桥梁在结构或造型上存在的局限性，便成为了现代桥梁建设所面临的严峻考验，为此作者在重庆交通学院周志祥教授的指导下，进行了深入的探索，提出了一种崭新的桥梁结构型式，即斜拉与异型人字拱的组合--鹰形人字拱斜拉桥。下面以某桥的投标方案为基础，作简要分析。二、空间构成1．设计标准设计荷载：汽一20，挂一100，人群3.5kN／m。桥跨布置为70m＋70m，全长140m，宽14

3、m，主桥跨采用翼型桥塔单索面斜拉桥（见图1）。上部结构采用塔、墩、梁固结体系，竖琴式单索面，塔墩为双薄壁柔性墩身配钻孔灌注桩基础。2．主梁与桥面板主梁截面采用抗扭能力大的斜腹板单箱截面，梁高1.8米。主梁内不设中横梁而采用每隔2.5米设置一对预应力混凝土斜杆来传递拉索拉力，在箱梁顶板中央锚索处设置加强的小纵梁，既利于锚索，又使行车道板受力明确。箱梁采用三向预应力体系，用50号混凝土。考虑到近年来桥面板破坏的主要原因往往是钢筋的锈蚀，桥面板采用纤维增强混凝土材料（FRC）（该材料具有很高的的抗疲劳和静力强度，且造价低于普通钢筋混凝土）。3．

4、桥塔采用翼形桥塔的造型，矢跨比1/7，有效地降低了主塔建筑高度，减少了塔柱材料的用量及造价，符合城市桥梁建筑要求。桥塔采用箱形变截面拱，受力分析表明，桥塔下半部拱肋承受压力，可充分发挥混凝土的抗压特性。同时，作为拉索锚固段，为防止锚固力作用下的开裂，可采用体内有粘结的预应力钢丝束或体外无粘结的预应力钢筋混凝土结构。将预应力作为外力来平衡拉索产生的内力。上半部拱肋承受拉力，采用全预应力钢筋混凝土以增强抗拉能力，减少纵向裂缝出现的可能性。4．钢管混凝土斜撑在主塔两侧分别架设两根钢管混凝土斜撑，作为偏心受压杆件，承受水平推力。其端部与翼形主塔相

5、连接，构成异形人字拱，增强了主塔的抗压能力与桥的整体刚度，同时对主塔起支撑作用，使其力学性能得到明显改善。5．斜拉索斜拉索由12对φ5mm高强钢丝平行钢丝束组成。拉索在梁上的标准索距为8.0m。拉索两端安装抗疲劳性能良好的特殊冷铸锚具，方便预加应力、卸载和换索。三、结构静动力分析1．静力分析将桥作一平面模式进行受力分析。全桥共分70个单元，76个节点，12种截面。设计荷载按汽超20计算，挂车按120验算，人群荷载3.5kN/平方米。平面分析模式如图2。由图3，4，5可以看出：在恒载作用下，最大弯矩发生在约1／4跨径处，最大负弯矩发生在墩顶

6、处的主梁截面；最大剪力发生在塔根处；最大轴力发生在桥塔根部，桥塔上拱肋的拉力亦在控制设计值之内。最大竖向挠度产生在1/3L，处，挠度值为5.613mm，大大小于同等跨径单索面斜拉桥的最大竖向挠度，与异型拱桥相近［根据安阳东风桥（60m＋60m）理论，挠度值为6.4mm］。受力分析表明，本桥结构受力合理。2.动力分析（1）由平面有限元分析频率（表1）：(2）振型分析通过平面有限元对不同点的振幅进行分析，得到该桥的前三阶振型（图7，8，9）。3．小结静动力受力分析表明，本设计方案具有良好的受力特征与结构稳定性。如果桥位地区对风振、抗震性能有特

7、殊要求，可仿斜拉桥采取相应的减振（震）措施。另外，桥塔两端的钢管混凝土柱可满足一定的减震需要。值得一提的是人字钢管混凝土斜撑与翼形桥塔的组合结构在平、立、纵面上均为三角形构图，具有很好的稳定性，这从整体上大大地增强了桥梁的稳定性。四、美学概述桥梁造型的美学效果应是现代桥梁建设中必须考虑的重要因素之一。鉴于此，我们构思的鹰形人字拱斜拉组合桥方案，除了基于传统的结构的稳定性与经济性考虑之外，同时也从桥梁美学效果方面出发进行方案设计。本方案综合考虑了桥梁的形式美、功能美以及与环境的协调作用，从时代的需求出发，打破了保守的设计思路，将斜拉桥、拱桥

8、等基本桥型进行合理分解与重组并进行适当变形，在实用的前提下塑造出一个新颖、美观、独特的桥梁造型。1．形式美翼形桥塔的拱肋线型改传统对称曲线为偏态的异型曲线，吊杆按一定斜率斜向布置而不是竖向布置