论文部分内容阅读
摘要：梁拱组合体系是一种新的组合体系，其结构受力较好具有优良的技术经济指标，而确定成桥状态时的吊杆索力是设计过程中至关重要的工作。本文分别以位移、截面内力为控制目标并借助有限元分析软件MIDAS/Civil来确定成桥状态下吊杆的索力，通过对运用刚性支承连续梁法和力的平衡法确定的吊杆索力结果进行分析比较，得出一种较为合理的方法，为今后同类桥梁的设计、施工提供经验和积累科学资料。
关键词：下承式梁拱组合体系；索力调整；合理成桥状态
梁拱组合桥是对传统拱桥的发展，是拱桥和梁桥的结合体，兼有两者的特点，在60～200跨径范围内，梁拱组合桥梁造价低、施工方法成熟，是最具有竞争力的的桥型之一。在梁拱组合桥梁的设计中，确定成桥状态时吊杆索力是至关重要的工作。合理的吊杆索力可以使系杆所受弯矩布置均匀、合适，而合理地确定吊杆在全部恒载作用下的钢束初始张拉力却是一项重要又比较困难的工作。关于成桥状态吊杆张拉力的确定，中外学者根据不同的力学性能指标和材料用量指标提出了许多方法。归纳起来，主要有：指定受力状态法，如刚性支承连续梁法，零位移法等；无约束的索力优化，如弯矩能量最小法，弯矩最小法等；有约束的索力优化，如用索量最小法、最大偏差最小法；以及影响矩阵法。
本文采用刚性支承连续梁法和力的平衡法分别对兰州市元通黄河大桥成桥时吊杆张拉力进行了计算分析。
1.刚性支承连续梁法确定吊杆张拉力
所谓刚性支承连续梁法就是求一组恒载拉力值，使系梁与吊杆连接处节点在恒载和张拉力作用下，在成桥状态下位移为零，并且同时认为系梁内的弯矩为刚性支承连续梁弯矩。可见此方法在确定吊杆的内力时，主要以位移为控制目标，以保证最终成桥的线型。
首先根据一次落架方式可以算出在恒载g作用下的柔性吊杆初始张拉力为零时，吊杆与主梁连接处各节点的垂直位移△，然后依次算出吊杆受单位力作用下这些节点的位移影响量 ， 为節点编号， 为吊杆编号；于是在恒载和吊杆力的共同作用下，以各控制节点变位等于零为控制目标，可以写出线性方程组：
—表示第 根吊杆产生单位里时对第 号节点的位移影响量。
—表示吊杆与系梁的连接处的节点数。
求解方程式（1）就可以得到成桥状态时，以系梁与吊杆连接处各节点位移为控制目标的吊杆张拉力。
2.以力的平衡法来确定吊杆张拉力
结构的合理受力状态往往是以结构控制截面上的内力（主要是弯矩或轴力）达到某一最佳状态为目标的。纵梁上各点的标高可以通过设计预拱度来调整。刚性支承连续梁法以位移作为控制目标，另外一种确定成桥时吊杆张拉力的方法就是直接以截面内力为控制目标。
在梁拱组合桥中，以直接承受活载的纵梁作为主要的研究对象，把吊杆与纵梁的连接处纵梁截面弯矩作为控制目标量，同时考虑预应力钢筋和混凝土收缩、徐变的影响，则成桥时吊杆张拉力应能使纵梁在恒载和吊杆拉应力的作用下，纵梁内控制截面的弯矩达到设计者所指定的弯矩状态。以此为指导思想，以下用力的平衡法来确定恒载作用成桥状态时吊杆张拉力的大小。以此为指导思想，以下用力的平衡法来确定恒载作用成桥状态时吊杆张拉力的大小。
若要达到刚性支承连续梁的弯矩状态，在拱桥吊杆与纵梁的连接处用刚性支承来替代，等效原来其它的有效约束，同时加上预应力索，可以得到纵梁在恒载作用下相应刚性支承连续梁的内力状态，获取相应截面的弯矩值，并以此作为控制目标。有了此目标以后，建立力的平衡方程，用拉力T来代替相应的吊杆拉力，原有的约束条件不变。由结构力学分析可知，对于任一吊杆与纵梁连接点 处，纵梁弯矩 的大小应为：
3.3结果分析
分析表1的计算结果，以位移作为控制目标的刚性支承连续梁法确定兰州市元通黄河大桥成桥状态的吊杆索力时，第1、21号吊杆出现了压力，且其它吊杆内力分布不均匀，这对于采用柔性吊杆的梁拱组合桥是不可取的。
分析表2的计算结果，以力的平衡法确定兰州市元通黄河大桥成桥状态的吊杆索力时，吊杆没有出现受压的情况。最大吊杆内力为第11号，其值为146.7t，最小为第1、21号吊杆，其值为76.3t，相差47.99%，其它吊杆拉力分布比较均匀，这是比较理想的吊杆内力。
结论
刚性支承连续梁法以梁拱组合体系的主梁在恒载作用下弯曲内力成等代刚性支承连续梁为优化目标。这种方法的优点是力学意义明确，计算过程见到，且成桥张拉力接近“稳定张拉力”，可减少成桥内力的影响。但刚性支承连续梁法只考虑了主梁的受力情况，而忽略了拱肋的受力情况，对于刚梁柔拱体系，有时会给拱肋带来不可忽视的弯矩。且这种方法虽然能使主梁的弯矩较小，但吊杆张拉力有时并不是很均匀。这种方法适用于柔梁刚拱体系、吊杆间距较小且均匀。
力的平衡法是以控制截面内力为目标，通过合理选择吊杆张拉力，来实现这一目标。控制截面可包括主梁和拱肋，因此，主梁和拱肋的内力都可顾及到，如控制截面及相应的控制值选择合理，效果比刚性支承连续梁法好，且吊杆张拉力不会出现不均匀的现象。
参考文献：
[1]強士中. 桥梁工程 . 北京：高等教育出版社，2011
[2]陈宝春. 钢管混凝土拱桥设计与施工 . 北京：
[3]人民交通出版社，1999.
[4]王学明，李 平.矮塔斜拉桥拉索初张力优化. 铁道工程学报，2005.
[5]冒琴.梁拱组合桥吊杆成桥索力的确定. 中外公路，2007.
[6]叶梅新；许润锋；谢晓慧. 确定系杆拱桥吊杆索力张拉值的方法. 交通科学与工程，2010.
关键词：下承式梁拱组合体系；索力调整；合理成桥状态
梁拱组合桥是对传统拱桥的发展，是拱桥和梁桥的结合体，兼有两者的特点，在60～200跨径范围内，梁拱组合桥梁造价低、施工方法成熟，是最具有竞争力的的桥型之一。在梁拱组合桥梁的设计中，确定成桥状态时吊杆索力是至关重要的工作。合理的吊杆索力可以使系杆所受弯矩布置均匀、合适，而合理地确定吊杆在全部恒载作用下的钢束初始张拉力却是一项重要又比较困难的工作。关于成桥状态吊杆张拉力的确定，中外学者根据不同的力学性能指标和材料用量指标提出了许多方法。归纳起来，主要有：指定受力状态法，如刚性支承连续梁法，零位移法等；无约束的索力优化，如弯矩能量最小法，弯矩最小法等；有约束的索力优化，如用索量最小法、最大偏差最小法；以及影响矩阵法。
本文采用刚性支承连续梁法和力的平衡法分别对兰州市元通黄河大桥成桥时吊杆张拉力进行了计算分析。
1.刚性支承连续梁法确定吊杆张拉力
所谓刚性支承连续梁法就是求一组恒载拉力值，使系梁与吊杆连接处节点在恒载和张拉力作用下，在成桥状态下位移为零，并且同时认为系梁内的弯矩为刚性支承连续梁弯矩。可见此方法在确定吊杆的内力时，主要以位移为控制目标，以保证最终成桥的线型。
首先根据一次落架方式可以算出在恒载g作用下的柔性吊杆初始张拉力为零时，吊杆与主梁连接处各节点的垂直位移△，然后依次算出吊杆受单位力作用下这些节点的位移影响量 ， 为節点编号， 为吊杆编号；于是在恒载和吊杆力的共同作用下，以各控制节点变位等于零为控制目标，可以写出线性方程组：
—表示第 根吊杆产生单位里时对第 号节点的位移影响量。
—表示吊杆与系梁的连接处的节点数。
求解方程式（1）就可以得到成桥状态时，以系梁与吊杆连接处各节点位移为控制目标的吊杆张拉力。
2.以力的平衡法来确定吊杆张拉力
结构的合理受力状态往往是以结构控制截面上的内力（主要是弯矩或轴力）达到某一最佳状态为目标的。纵梁上各点的标高可以通过设计预拱度来调整。刚性支承连续梁法以位移作为控制目标，另外一种确定成桥时吊杆张拉力的方法就是直接以截面内力为控制目标。
在梁拱组合桥中，以直接承受活载的纵梁作为主要的研究对象，把吊杆与纵梁的连接处纵梁截面弯矩作为控制目标量，同时考虑预应力钢筋和混凝土收缩、徐变的影响，则成桥时吊杆张拉力应能使纵梁在恒载和吊杆拉应力的作用下，纵梁内控制截面的弯矩达到设计者所指定的弯矩状态。以此为指导思想，以下用力的平衡法来确定恒载作用成桥状态时吊杆张拉力的大小。以此为指导思想，以下用力的平衡法来确定恒载作用成桥状态时吊杆张拉力的大小。
若要达到刚性支承连续梁的弯矩状态，在拱桥吊杆与纵梁的连接处用刚性支承来替代，等效原来其它的有效约束，同时加上预应力索，可以得到纵梁在恒载作用下相应刚性支承连续梁的内力状态，获取相应截面的弯矩值，并以此作为控制目标。有了此目标以后，建立力的平衡方程，用拉力T来代替相应的吊杆拉力，原有的约束条件不变。由结构力学分析可知，对于任一吊杆与纵梁连接点 处，纵梁弯矩 的大小应为：
3.3结果分析
分析表1的计算结果，以位移作为控制目标的刚性支承连续梁法确定兰州市元通黄河大桥成桥状态的吊杆索力时，第1、21号吊杆出现了压力，且其它吊杆内力分布不均匀，这对于采用柔性吊杆的梁拱组合桥是不可取的。
分析表2的计算结果，以力的平衡法确定兰州市元通黄河大桥成桥状态的吊杆索力时，吊杆没有出现受压的情况。最大吊杆内力为第11号，其值为146.7t，最小为第1、21号吊杆，其值为76.3t，相差47.99%，其它吊杆拉力分布比较均匀，这是比较理想的吊杆内力。
结论
刚性支承连续梁法以梁拱组合体系的主梁在恒载作用下弯曲内力成等代刚性支承连续梁为优化目标。这种方法的优点是力学意义明确，计算过程见到，且成桥张拉力接近“稳定张拉力”，可减少成桥内力的影响。但刚性支承连续梁法只考虑了主梁的受力情况，而忽略了拱肋的受力情况，对于刚梁柔拱体系，有时会给拱肋带来不可忽视的弯矩。且这种方法虽然能使主梁的弯矩较小，但吊杆张拉力有时并不是很均匀。这种方法适用于柔梁刚拱体系、吊杆间距较小且均匀。
力的平衡法是以控制截面内力为目标，通过合理选择吊杆张拉力，来实现这一目标。控制截面可包括主梁和拱肋，因此，主梁和拱肋的内力都可顾及到，如控制截面及相应的控制值选择合理，效果比刚性支承连续梁法好，且吊杆张拉力不会出现不均匀的现象。
参考文献：
[1]強士中. 桥梁工程 . 北京：高等教育出版社，2011
[2]陈宝春. 钢管混凝土拱桥设计与施工 . 北京：
[3]人民交通出版社，1999.
[4]王学明，李 平.矮塔斜拉桥拉索初张力优化. 铁道工程学报，2005.
[5]冒琴.梁拱组合桥吊杆成桥索力的确定. 中外公路，2007.
[6]叶梅新；许润锋；谢晓慧. 确定系杆拱桥吊杆索力张拉值的方法. 交通科学与工程，2010.