【摘 要】以开原市大清河大桥总体计算为例，分析大跨异形拱桥的计算方法，运用空间分析的计算方法，准确高效地进行结构受力变化分析，保证结构受力安全合理。
【关键词】不对称大跨梁；异形拱
1、情况简介大清河大桥主桥采用梁拱组合结构，主梁为70+120+90+50=330m 的变截面预应力混凝土连续梁，主跨钢拱在120m+90m 的主跨范围内设置，钢拱外倾为展翅形，吊带为FRP 结构。
主拱为异形钢箱拱，拱肋设于两幅桥外侧，横向外倾35°，外观看呈展翅形。拱跨径布置为120m+90m ， 大拱拱高25.546m，小拱拱高15.87m。桥面以上大拱拱高15m，小拱拱高9m。
截面主结构为矩形截面，拱顶外包弧形钢板。截面横桥向宽度2.5m 不变，纵桥向高度随拱高不断变化。钢拱采用Q345E 钢材，板厚采用8mm~50mm。主拱钢箱沿纵桥向约每3 米设置一道横隔板。拱上设置FRP 吊带，吊带伸入拱箱内预留锚箱内栓接。主拱共分为32 个节段，节段在工厂分段制造，安装时采用先栓后焊的连接方式。
主拱在拱脚段设外伸钢结构段，与主梁中横梁外伸横梁段连接，连接方式采用钢混结合段的方式。通过设置预应力的方式来保证钢拱上内力平顺传递到混凝土横梁上。为增加钢混结合段传力的可靠性，将钢结构段伸入混凝土内约0.9 米，通过设置PBL 剪力键来保证与混凝土的可靠连接。
吊带分为两部分，上部与主拱连接的为FRP 结构，下部与主梁连接的是钢结构。钢吊带在梁底与主梁预留焊接垫板通过矩形钢管焊接连接。
FRP 吊带上端与钢拱在拱箱内销栓连接，吊带以销栓为转心可沿桥纵向转动；FRP吊带下端与钢吊带承插式粘接连接,二者在连接处密闭防水。FRP 吊带上端至拱腹以下1m 长度范围箱室内采用聚氨酯硬质泡沫和FRP 短纤维胶泥混合填充密实，进行结构局部增强和密闭防水；FRP 吊带其余长度范围为空心薄壁结构，以减轻吊带自重和增加吊带的柔性。
主桥主梁采用变截面连续箱梁，混凝土标号采用C60。箱梁顶板设置双向1.5%的横坡，箱梁设纵、横向与竖向预应力，纵、横向采用高强度低松弛钢绞线；竖向采用精轧螺纹钢筋。
主梁节段划分为墩顶0 号段，支架上悬浇渐变段，支架上现浇平直段与合龙段。
2、设计与计算2.1 要点本桥由于跨径大，且为不对称跨径，所以主桥主跨采用梁拱组合共同受力结构。由于主跨钢拱为异形拱，本桥受力难点之一为异形拱的受力分析。
由于主跨钢拱异形外倾，所以受弯剪扭作用效应均很大，且拱内力不均匀，肋从受力行为上来讲轴力小，而面内、面外的弯矩大，拱受力特点实际上就是一个斜弯的空间曲线梁，受力较常规拱不合理，且控制难度大。
由于异形拱跨径大，受力不均匀，且桥区属于7 度地震区，所以需注意抗震效应和稳定效应控制。
2.2 方案为了保证设计兼顾美观、经济、受力、施工便利性，以上各项要求达到完美的统一和融合。本次设计各个部位均进行了施工图方案比选。
主拱：考虑采用钢箱或钢桁架两种方案的比较。
吊带：考虑采用钢吊带，FRP 吊带，钢绞线吊杆三种方案的比较。
主梁跨径：考虑两跨和四跨的比较。
主梁截面：考虑采用单项三室和单箱单室两种方案比较。
预应力：考虑三向预应力和不考虑桥面板横向预应力的比较。
钢混结合：考虑拱上钢混结合和横梁上钢混结合的比较。
横梁：考虑整体浇筑和分段浇筑的比较。
抗震：考虑摩擦摆支座和普通支座加榫锚两种方案的比较。
以上各项比较，均进行了详细的构造比选，计算分析，造价比较，施工方法比较，美观性比较，结合各方面优缺点，最终选择最优的施工图设计方案。
最终的施工图各部分设计方案依次为：主拱钢箱拱、采用钢吊带和FRP 吊带相结合吊杆、主梁四跨布置、单幅单箱三室主梁截面、不考虑主梁桥面板横向预应力的构造设计、横梁上设钢混结合段、横梁分段浇筑、普通支座加榫锚抗震。
2.3 模型模型中，对于主梁、钢拱、下部采用三维梁单元模拟，吊带采用桁架单元模拟。通过设置弹性连接及刚性连接来模拟各个构件间的连接。各个构件截面特性按实际尺寸输入。
对桩基础，通过节点弹性支撑系数来进行桩基础模拟。
支座及榫锚，通过弹性连接来进行各个方向约束的模拟。
根据设计图纸，整体计算中，每一根钢束均详细描绘成空间曲线，并按施工过程张拉并考虑损失情况。特别是混凝土收缩徐变、分批张拉预应力损失、体系转换引起的预应力二次效应等因数均充分考虑。
图 1 总体计算模型图
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2.4 抗震抗震性能分析，采用“周期—加速度”反应谱分析方法，振型组合采用CQC 法，方向组合采用SRSS 法。地震反应分析的场地条件为Ⅱ类场地，地震基本烈度为7 度，结构设计按照8 度设防。
1）第一阶模态：吊带横向弯曲变形。
2）第二阶模态：主梁竖向反对称弯曲，主拱横向弯曲变形。
从振型图上看，尽管桥梁跨度比较大，但由于在结构体系中采取了合理的布置，且主桥的竖向刚度和扭转刚度均较大，使主梁具有较高的竖向自振频率、扭转自振频率和扭弯频率比。主拱采用流线形箱梁，对增大主拱的颤振临界风速，减少涡激振的振幅，减少抖振响应以及对结构的静力稳定性均有不同程度的提高。
2.5 稳定结构稳定安全系数为18﹥4，满足规范要求。
失稳模态，吊带横向反对称面外变形。
从成桥状态下的失稳模态图可知，本桥具有良好的抗屈曲性能，主拱的强度和稳定均具有较大的安全度，结构的静力稳定性是有充分保证的。
3、结语该桥的异形拱受力复杂，同时受到弯、剪、扭共同作用，且轴力很小，属于大偏心受弯构件，受力特点实际上就是空间斜弯曲线梁。因此我们采用了空间分析计算分析方式，充分利用了空间分析的优点，为类似结构的计算分析提供了一定参考。
参考文献：[1]张树仁．《钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁结构设计原理》．北京：人民交通出版社，2004[2]中交公路规划设计院．《公路桥涵设计通用规范》．北京：人民交通出版社，2004[3]中交公路规划设计院．《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》．北京：人民交通出版社，2004[4]《滨水新城跨大清河大桥工程》林同棪国际工程咨询（中国）有限公司2013[5]吴冲．《现代钢桥》．北京：人民交通出版社，2006
论文作者:胡恩宏
论文发表刊物:《工程建设标准化》2015年5月总第198期供稿
论文发表时间:2015/9/11
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