大跨度鋼桁架拱橋關鍵設計參數研究

大跨度鋼桁架拱橋關鍵設計參數研究

為了研究大跨度鋼桁架拱橋的主要設計參數對結構受力特性的影響，以優化結構設計，基于珠海橫琴二橋，通過建立具有不同設計參數的有限元模型，對比了不同的支承體系，拱軸線，矢跨比對結構受力、施工難易程度以及經濟性的影響，并確定了大跨度鋼桁架拱橋各項特征參數的最優區間。研究結果表明，支承體系和矢跨比對拱橋受力和施工有很大的影響，而拱軸線對結構受力影響較小，其選擇更應從結構美觀的角度考慮，相關結論可以為同類型的橋梁設計提供參考。

大跨度鋼桁架系桿拱橋外形輪廓美觀，剛柔相濟，易于與周邊景觀協調搭配。鋼桁架系桿拱橋結構桿件多，受力情況復雜，每根桿件可根據受力大小而靈活改變鋼型和截面。在進行拱橋設計時，為了優化結構受力，充分發揮材料的力學性能，有必要對鋼桁架系桿拱橋的約束體系和結構參數進行研究。王福敏、段雪煒在進行重慶朝天門大橋設計時，對鋼桁拱橋的支承體系做過深入的探討；文基于南京大勝關橋，對結構設計的關鍵參數的選擇進行研究和介紹；文對中承式系桿拱橋的優化設計進行了深入的研究；蔡健研究了鋼桁架拱橋桿件的穩定性和極限承載能力，進而探討了鋼桁架拱橋的失效路徑和破壞機理。

為了對大跨度鋼桁架拱橋的關鍵設計參數做更深入研究，以確定各項參數的最優區間，基于橫琴二橋，通過對比約束體系、矢跨比、拱軸線等因素對桿件和基礎受力、對用鋼量和結構安全和施工難度等方面的影響，比選出最優方案，以提高結構的安全性和經濟性。

工程概況

橫琴二橋主橋跨度布置為（100+400+100）m，主拱肋拱軸線下弦為拱軸系數m=1.6133次懸鏈線，邊拱下弦為半徑R=285m圓曲線，上弦拱頂段采用R=300m圓曲線，并以R=1200m反圓弧與橋面相接于。拱肋下弦矢高90m，拱頂處拱肋上下弦的桁高7m，節間長度為12m、14m和16m，主桁橫向中心間距36m。采用密縱梁體系疊合混凝土橋面板的橋面系結構形式，橫梁間距12～16m，次縱梁間距4m，預制混凝土板厚26cm，通過剪力釘及濕接縫與橫梁及次縱梁連接。雙向六車道，設計荷載：公路-Ⅰ級，設計速度100km/h。

如圖1所示，全橋有限元模型共劃分為6251個單元，其中梁單元 3987個，只受拉桁架單元56個，2208個板單元；主桁架桿件材料采用Q345qD和 Q420qD，橋面板采用C60混凝土橋面板，吊桿和系桿均采用1860MPa鋼絞線。

圖1　橫琴二橋有限元模型示意圖

關鍵設計參數研究

支承體系參數研究

當橋型與孔跨布置確定后，邊界條件對結構和基礎的受力會產生較大影響，同時也會對支座的選擇和鋼桁架的合攏施工產生影響。拱橋按支承體系可分為三鉸拱、兩鉸拱和無鉸拱，三鉸拱為靜定結構，計算最為簡單，但由于結構整體剛度相對偏小，因此結構設計中多采用后兩者。己建成的單跨鋼桁架拱橋基本上采用兩端鉸支的支承條件。為了獲得最優的結構支承體系，對本橋分別采用兩種支座體系進行對比計算：

1.固定鉸-活動鉸支座：2#墩左支座采用縱向固定支座，其余各墩均設置縱向或多向活動支座；

2.固定鉸-固定鉸支座：2、3#墩均設置鉸支座，其中右側的支座為橫橋向可活動，其余設置多向活動支座。支座平面布置示意圖如圖2所示。

圖2　

圖3　恒載作用下下弦桿軸力分布

圖4　溫度荷載作用下下弦桿軸力

圖5　方案②在溫度荷載作用下轉動示意圖

圖6　結構位移圖

不同支承體系結構內力對比

在恒載作用下，兩種支座體系下弦桿的內力分布如圖3所示，由圖可見：不同的支座方案對拱頂、拱梁結合處桿件的軸力影響較小，對拱腳位置的桿件影響較大。與活動鉸方案相比，雙固定鉸方案中跨側拱腳處軸力大9778 kN，但邊跨側拱腳的軸力小28762 kN，這部分力轉化為支座反力由支座承擔。對于活動鉸支座方案，系梁需要承擔結構的水平推力，因此方案②系梁桿件的軸力明顯小于方案①。

由圖4可見，在溫度荷載（整體升溫30℃）作用下，支座方案②結構構件的應力明顯大于方案①， 且對邊跨桿件受力影響較大，這是由于中跨受熱膨脹時由于雙鉸支座約束，使左右半結構繞各自中支點有轉動趨勢（圖5），因此導致邊跨支座豎向反力增大，邊跨上弦桿及腹桿產生壓應力，下弦桿則產生很大的溫度拉應力，最大達到117.2MPa。

不同支座體系結構位移對比

兩支座體系結構產生的位移如圖6所示。由圖可見：活動鉸方案允許橋梁結構發生順橋向位移，在恒載作用下，3#墩處發生最大的順橋向位移14.5cm，所以活動鉸方案主拱拱頂下撓位移較雙固定鉸方案大7.6cm。

溫度升高30℃時，由于方案①的結構縱向可以自由活動，因此方案①的水平位移明顯大于方案②，與此同時由于方案②限制結構的縱向位移，溫升時方案②產生的豎向位移明顯大于方案①。

這說明固定鉸支座方案能提高結構的豎向剛度，但兩支座體系的結構剛度都比較大，活載作用下撓度均遠小于1/800的要求，因此剛度不是設計控制因素。

不同支座體系支反力

恒載作用下兩支座方案產生支座反力如表1所示，因為活動鉸方案豎向撓度大于固定支座方案，中跨下撓的同時使邊跨上拱，因此活動鉸方案能減小邊支座的反力，而中跨支座的反力則增大了8484kN，可見邊跨的這部分豎向反力轉由拱腳處的支座承擔；而對于雙固定鉸方案，支座需承受35147.9kN的水平推力。

表1　不同支座方案恒載支反力數據（kN）

由上述分析可見，僅在恒載作用下，兩種支座方案計算得到的結構內力及位移的差別都不大；在溫度荷載作用下，固定鉸支座結構構件產生的附加內力明顯大于活動鉸方案。但雙鉸支座需要承受水平推力，相比之下活動鉸方案支座不受水平推力，施工期間可對結構進行位移調整而不影響結構受力，易于保證成橋線形和受力狀態。

矢跨比研究

矢跨比是拱橋的一個特征參數，隨著矢跨比的增大，橋梁拱的特性越來越顯著，反之梁的特性越明顯。拱的矢高對結構內力、吊桿長度、動力特性、剛度和穩定性、施工難度以及工程經濟性和橋梁美觀等各方面均存在較大的影響。對于大跨度拱橋，為了達到較大的跨徑，需要適當增大矢跨比，但隨著矢跨比的增大，拱圈部分桿件的長度也隨之增大，增加用鋼量；而減小矢跨比會增大拱腳的推力，對基礎的要求更高（有推力拱）或者會增加系梁或系桿的用量（無推力拱）。因此，選擇矢跨比時應綜合考慮各種影響因素。大跨徑鋼桁架拱橋的矢跨可選在1/4～1/6之間，大部分在1/4～1/5之間。

為研究矢跨比對鋼桁拱橋的影響，保持橋梁孔跨和拱軸系數不變，改變矢高為66.6m、80m、85m、90m、95m、100m和133.3m，對應的矢跨比1/6、1/5、1/4.71、1/4.44、1/4.21和1/3。當矢跨比變化時，下弦拱軸上的節點坐標通過m=1.6133次懸鏈線方程計算得到，懸鏈線方程如式（1）所示：

其中：

ε=2x/l

f——矢跨比；

m——拱軸系數；

l——拱橋跨度；

gd——拱頂的恒載集度；

表2　不同矢高比結構撓度分布

表3　不同拱軸線對結構受力影響

不同矢高計算得到的結構內力和撓度如表2所示，可見增大矢跨比可以減小拱腳處桿件的軸力，改善結構豎向剛度和梁端轉角，但橫向剛度隨之減弱，矢跨比過大也會使主拱圈拱肋部分鋼材的用量增加，增大建造成本；且對結構的抗傾覆能力和抗震性能有不利影響，增加施工難度；減小矢跨比會增加拱的推力，對于有推力拱來說，推力增加對橋梁基礎部分不利，對于無推力拱來說，會增加系梁或水平拉索的用量；綜合考慮設計、制造、施工難度、剛度及行車條件及用鋼量，鋼桁架系桿拱橋的矢跨比取為1/4～1/5是合理的，橫琴二橋的設計矢跨比為1/4.44，處于最優區間。

拱軸線研究

拱軸線是拱橋概念設計中的重要參數，直接關系到拱肋截面內力的大小和分布。選擇拱軸線的原則就是盡可能降低荷載產生的彎矩，當設計拱軸線為理想拱軸線時，拱肋截面只有軸向壓力而無彎矩作用。但由于活載、溫度變化和材料收縮等因素的影響，這種理想拱軸線實際中很難獲得。

對于鋼桁架拱橋，拱肋下弦桿為真實的拱軸線。為了研究拱軸線對結構的影響，通過改變拱軸系數m來調整下弦拱軸線，且盡量保持原結構桿件設計長度、重量的不變，調整上弦拱軸線圓曲線半徑及微調部分腹桿長度和斜腹桿長度、角度。分別以拱軸系數m=1.4、m=1.5、m=1.6133，二次拋物線、m=1.7、m=1.8對結構進行調整計算。

從表3可以看出，對于鋼桁架拱橋而言，拱軸線對結構的受力影響不大。因此，大跨度鋼桁架拱橋拱軸線的選擇更應該從外形美觀、與周圍景觀搭配協調、制作和施工方便來考慮。

結論

結論通過對橫琴二橋的支承體系、系桿類型、矢跨比和拱軸線等關鍵參數進行比較分析，可以得到如下結論：

1.僅在恒載作用下，兩種支座方案計算得到的結構的內力及位移的差別都不大；但雙鉸支座對支座提出非常高的要求；相比之下活動鉸方案支座不受水平推力，對基礎、墩臺等要求較低，施工期間易于調整結構位移；因此對于多跨鋼桁拱橋，活動鉸方案可作為推薦方案；

2.綜合考慮設計、制造、施工難度、剛度及行車條件及用鋼量，鋼桁架系桿拱橋的矢跨比設計最優區間為1/4～1/5；

3.對鋼桁架拱橋而言，在一定范圍內調整拱軸系數并不能明顯改變結構受力和經濟性，所以鋼桁架拱橋拱軸線的選擇更應該從外形美觀、與周圍景觀搭配協調、制作和施工方便來考慮。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.15.025