提籃拱橋拱肋及橫撐對其穩定性的影響

常建忠

提籃拱橋是近年來在提籃拱橋基礎上發展起來的一種新型的拱橋結構形式，但是穩定問題始終是拱橋設計、施工中的一個重要問題，結構失穩往往導致結構整體垮塌，且發生較為突然，危害極大，拱橋因失穩而導致結構破壞的情況時有發生[1]。影響鋼管混凝土拱橋穩定性的因素有吊桿、系桿、拱肋以及拱肋間的橫撐，本文采用MIDAS/Civil建立有限元模型，分析拱肋和拱肋間橫撐對某提籃拱橋穩定性的影響。

1 工程背景

該橋位于廣珠貨運客運專線上，跨徑為112m(見圖1)，梁全長116m，計算跨長為112m，拱肋平面內矢高22.4m，拱肋采用懸鏈線。拱肋截面采用啞鈴形鋼管混凝土截面，鋼管內采用C55無收縮混凝土填充，截面高度h=3.0m，沿程等高布置，鋼管直徑為1 200mm，由厚18mm的鋼板卷制而成，每根拱肋的兩鋼管之間用腹板連接。每隔一段距離，在圓形鋼管內設加勁環、在兩腹板中焊接拉筋。拱肋在橫橋向內傾 9°，形成提籃式，拱頂處兩拱肋中心距6.99m，拱腳處兩肋中心距14.00m。

系梁采用 C50混凝土，按整體箱形梁布置，采用單箱三室預應力混凝土箱形截面，橋面寬15.6m，梁高2.5 m。拱腳順橋向8.0m范圍內設成實體段，橫橋向寬度由15.6m增至 16.6m，截面漸變處設倒角或過渡段。吊桿布置采用尼爾森體系，在吊桿平面內，橫橋向水平夾角為 81°，吊桿順橋向間距為 8m。兩拱肋之間共設5道橫撐，拱頂處設X型撐，拱頂至兩拱腳間設4道K型橫撐[2]。

2 有限元模型的建立

本文采用橋梁通用有限元軟件MIDAS/Civil來模擬，全橋分為 666個節點，779個單元，采用梁單元來模擬橋梁結構，主橋由系梁、拱肋、吊桿、橋面系組成，主梁兩端采用鉸接，其中右端 x方向不約束，橋面系采用均布荷載分布在橋面上。全橋有限元模型見圖2。

3 計算結果分析

3.1 對橫撐變化的計算結果的分析

在自重加二期荷載作用下，分析計算結果見表 1。

表1 模型概況及穩定系數

由表 1可知，減少 K撐將使結構的穩定性降低，穩定系數大大降低，K撐的位置不同，結構的穩定性也不同，靠近拱頂的K撐比拱腳的K撐的穩定性要大，將K撐全部改為一字撐后，結構的穩定性也會大大的降低。

3.2 拱的變化對自振基頻的影響

拱的剛度對整個結構的穩定性有影響，為了研究拱的剛度的變化對結構穩定性的影響，本文從改變鋼管拱的直徑和鋼管的壁厚兩個方面來模擬。具體計算結果見表 2，表 3。

表2 直徑不同的鋼管基頻對比(鋼壁厚18mm)

從表2可以看出，在鋼壁厚18 mm的情況下，隨著鋼管直徑的增加，結構的穩定系數增大，穩定性增強，因此可在適當的條件下增加鋼管的直徑來增加拱橋的穩定性。

表3 鋼壁厚不同的鋼管基頻對比(鋼管直徑1.2m)

從表3可以看出，在鋼管直徑為1.2m的情況下，隨著鋼管壁厚增加，結構的穩定系數將增大，但沒有增加鋼管直徑那樣明顯[3-5]。

4 結語

本文以 112m提籃拱橋為例，計算分析了提籃拱橋的穩定性能，得出了各種情況下結構的穩定系數，減少拱肋的橫撐，結構的穩定系數將減小，其中采用K撐的拱肋的穩定性比采用一字形橫撐的穩定性要好;在保持鋼管壁厚為18mm不變的情況下，隨著鋼管的直徑增加，結構的穩定性增加;在保持鋼管直徑為1.2m的情況下，隨著鋼管壁厚的增加，結構的穩定性增加。

[1] 劉夏平.橋梁工程[M].北京:科學出版社，2005.

[2] 中鐵第四勘察設計院集團有限公司.跨某高速公路大橋 112m拱橋設計資料[Z].2009.

[3] 劉晶波，杜修力.結構動力學[M].北京:機械工業出版社，2005.

[4] 楊海平，趙燦輝，陳艤亦.肋間橫撐對鋼管混凝土拱橋穩定性的影響[J].公路交通技術，2005(2):25-30.

[5] 郭玉平.客運專線 112m提籃拱橋施工過程仿真分析計算[D].長沙:中南大學碩士論文，2009:41-42.