
▲图1 贵州纳晴高速乌蒙山大桥,为世界首座上承式钢桁腹杆-混凝土组合拱桥
钢筋混凝土箱型拱结构具有截面效率高、抗扭刚度大、结构整体受力性能好等优点,在工程中得到了广泛应用。然而,随着跨径增大,混凝土拱圈自重增加,施工费用与难度也会急剧增大。因此,如何减轻自重、降低施工难度是解决大跨钢筋混凝土拱桥发展的两个主要问题。为减轻拱桥自重,许多学者提出了多种方法,其中一种是采用钢-混凝土组合拱结构。

▲图2
根据材料力学,受弯的梁,弯曲正应力在远离中性轴时较大,剪应力在中性轴附近最大。拱主要承受压弯作用,所以大跨度拱桥常采用箱型结构,以提高其截面的抗弯能力和抗弯刚度。在箱型截面中,腹板的主要作用为传递剪力,其抗弯作用远小于截面的顶底板,但其重量却占到拱圈总重量的30%~40%,如采用钢腹板(杆)代替厚重的混凝土腹板,将使得主拱的自重大大减轻,并省去腹板混凝土的浇筑,从受力和施工方面都更合理,是混凝土拱桥发展的主要方向之一。采用钢腹杆代替混凝土腹板,钢腹杆具有更强的局部抗屈曲性能,该类组合拱桥同样具有减轻自重、利于施工等优势。钢腹杆将拱圈剪力以轴向力的形式传递,造成了对顶、底板混凝土翼缘的冲切破坏,组合拱结构由节点承载力控制,没有发挥组合结构的优势。为解决钢腹杆-混凝土组合拱出现节点失效的问题,提出了钢桁腹杆-劲性骨架组合拱的新型组合箱拱形式,如图2所示。结果表明,其主拱圈自重较同等跨径钢筋混凝土箱拱桥减轻30%左右,且可缩短主拱圈1/3的施工工期(图3-图4)。模型拱发生整体破坏,接近于钢管混凝土拱的极值点失稳破坏。且减重有利于自身抗震。

▲图3 预制分段

▲图4 装配化施工,缩短工期