某大跨鋼管混凝土拱橋橫撐型式比選研究

彭益華 ，黎棟家

1.廣西財經學院，廣西 南寧 530007；2.廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029

1 引言

鋼管混凝土拱橋由于受力合理、施工方便、跨越能力大、經濟指標好等優點在全國得到了廣泛應用，全國跨徑大于50m的鋼管混凝土拱橋超過了400 座［1］，目前在建的世界最大跨度鋼管混凝土拱橋跨徑達到了575m（廣西平南三橋），隨著鋼管混凝土拱橋建設跨徑的增大，拱肋整體相對而言變得越來越柔，對于拱肋這類以受壓為主的工程結構，穩定性問題就顯得越來越突出。已有研究表明［2］，除了矢跨比外，橫撐類型與橫撐間距是對鋼管混凝土拱橋穩定性影響程度較大的因素。本文以某就計算跨徑320 米鋼管混凝土拱橋的橫撐選型為例，通過整體穩定性分析與技術經濟比較，證明了一種新L 型的鋼管混凝土拱橋橫撐型式，既能滿足橋梁穩定性的需要，又具有較好的技術經濟性，為鋼管混凝土拱橋的橫撐選型提供了新的思路。

2 工程簡介

某鋼管混凝土拱橋如圖1 所示，主橋長336m，計算跨徑320m，高80m，矢跨比1/4，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數m＝1.167。拱肋采用變截面鋼管混凝土結構，截面高度由拱頂的7.0m 逐漸變化為拱腳的12.0m，從拱頂至拱腳，拱肋寬度保持為3.0m，弦管直徑1.2m，壁厚為22～32mm。上、下游拱肋中心間距為23.9m，吊桿順橋向標準間距13.4m，橋面系為鋼格子梁與混凝土板組成的連續鋼混組合結構。拱座基礎為明挖擴大基礎。

圖1 某大跨中承式鋼管混凝土拱橋立面布置（單位：m）

3 橫撐型式

3.1 方案一：X 型橫撐

目前應用于鋼管混凝土拱橋的橫撐型式主要有一字型、K型、X 型、米字型等，其中X 型橫撐又有桁式X 型與大管徑簡單X 型。文獻［3］研究了一字型、K 型、X 型和米字型橫撐對鋼管混凝土拱橋面外穩定性的影響，結果表明其有利作用從大到小依次為X 型和米字型、K 型與一字型。文獻［4-5］的研究表明，X 型比米字型橫撐加工簡便，造型輕巧，尤其是大管徑X 型橫撐構造簡單、抑制面外失穩效果好、用鋼量小。因此，在大跨徑鋼管混凝土拱橋中得到較多使用，如廣西南寧市永和大橋（主跨335.4m）、六景至欽州港高速公路欽江特大橋（主跨252m）等，尤其是在拱腳段，采用X 型橫撐能有效錯開橫向風荷載與豎向荷載在拱肋中的應力峰值［4］，從而減少拱肋中的應力最大值，故本工程方案一設計為大管徑簡單X 型橫撐。

X 型橫撐布置在拱肋上弦與對應位置的下弦，橫撐與拱肋的連接點盡量設置在吊桿位置處，以約束吊桿處拱肋的面外變形，全橋共設置24 道X 型橫撐，橫撐鋼管直徑為920mm，鋼管壁厚16mm。為便于分析比較，采用大型通用有限元計算軟件Midas/Civil 建立全橋空間有限元模型如圖2 所示，用梁單元模擬拱肋、橫撐以及腹桿，用只受拉桁架單元模擬吊桿，用梁板單元組合方式模擬橋面系。

圖2 方案一空間有限元模型

3.2 方案二：新L 型橫撐

近年來，鋼管混凝土拱橋建設者們提出了一種新型橫撐，并最先應用于四川合江一橋（主跨530m），該種新型橫撐由單片豎向鋼管桁架與單片沿上弦桿的三角形鋼管桁架組成，從側面看呈L 型，文獻［2］稱其為“L 型橫撐”，在此沿用這種稱呼，該種橫撐構造比K 型桁式橫撐簡單，便于施工，本工程橫撐方案二設計為這種新型橫撐，但拱腳段橫撐依然保持為X 型橫撐。新型橫撐布置位置基本與方案一一致，橫撐主管（即水平長管）直徑為711mm，壁厚16mm，橫撐副管（除水平長管外的其他短管）直徑為508mm，壁厚12mm。根據如上所述的方法建立空間有限元模型如圖3 所示。

圖3 方案二空間有限元模型

4 橋梁穩定性分析與技術經濟比較

由于橫撐的主要作用是提高鋼管混凝土拱肋的穩定性，故對兩種橫撐方案的鋼管混凝土拱橋進行了成橋狀態同等荷載工況下（即以拱所受壓力最大的荷載工況［3］）的整體穩定性分析，以考察兩種橫撐方案在提高拱肋穩定性方面的效果。

采用有限元分析軟件Midas/Civil分別計算了兩種方案的前三階屈曲模態，結算結果表明兩種方案的前三階彈性屈曲模態均為面外失穩。在實際工程中，只有第一階屈曲系數才有實際意義，圖4 與圖5 分別是方案一與方案二的第一階彈性失穩模態。同時為便于比較，統計了兩種橫撐方案的用鋼量，將兩種方案的整體穩定性與用鋼量匯總于表1。

圖4 方案一第一階彈性失穩模態（屈曲系數：7.505）

圖5 方案二第一階彈性失穩模態（屈曲系數：7.478）

表1 兩種橫撐方案的彈性失穩分析結果與用鋼量

從圖4 與圖5 可以明顯看出，盡管在同等荷載工況下兩種方案的第一階彈性屈曲系數基本一致，均能滿足《公路鋼管混凝土拱橋設計規范》［6］中“面外分支點穩定系數應不小于4.0”的要求。但兩種方案的彈性失穩模態是不同的，方案一的第一階彈性失穩模態為反對稱側傾，失穩主要發生在橋面系附近橫撐稀疏處的拱肋，而方案二的第一階彈性失穩模態為正對稱側傾，這說明兩種橫撐方案都能顯著提高鋼管混凝土拱肋的穩定性，但在抑制拱肋失穩的細節方面有所不同，以一定間距布置的大管X 型橫撐更能抑制左右兩片拱肋的相對錯動變形。從表1 中兩種橫撐方案的用鋼量統計結果可知，以基本相同的橫撐間距布置的兩種橫撐方案在達到基本相同的第一階彈性穩定系數時，新L 型橫撐用鋼量比大管X 型橫撐多11%左右。

5 結語

橫撐型式與布置對大跨鋼管混凝土拱橋的穩定性影響較大，本文以某跨徑為320m 的鋼管混凝土拱橋為工程背景，對比研究了大管徑X 型橫撐與一種新型的L 型桁式橫撐對鋼管混凝土拱橋穩定性的影響，并分析了其技術經濟性，主要有如下結論。

（1）合理布置的新型L 型桁式橫撐能有效提高大跨徑鋼管混凝土拱橋的整體穩定性。

（2）對本工程而言，與大管徑X 型橫撐相比，為達到基本相同的第一階彈性穩定系數，新L 型桁式橫撐的用鋼量多約11%，是一種在大跨徑鋼管混凝土拱橋橫撐方案中極具有競爭力的可選方案。

（3）大跨鋼管混凝土拱橋橫撐方案的選擇需綜合考慮受力、構造、造型、經濟性等因素，本工程最終選定方案二作為實施方案。