提籃式系桿拱橋結構空間受力分析

劉瑤，鄒德強，李偉東

（中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410004）

拱橋將拱與梁兩種基本結構形式組合在一起，共同承受荷載，充分發揮梁受彎、拱受壓的結構性能和組合作用。同時，拱橋具有很高的美學特性，在現代橋梁中占有很重要的地位。

提籃拱，通常是將拱肋向橋軸線方向傾斜，甚至在拱頂合攏而形成的一種拱式結構。目前，我國大多數拱橋采用平行豎吊桿，拱肋與主梁面內垂直，提籃拱結構設計的較少。因此，研究提籃拱的空間受力特征具有十分重要的意義。

本文以某提籃拱橋為例，建立了考慮拱肋-橫撐-吊桿-縱梁-橋面一體化有限元模型，分析主拱、橫撐、吊桿、縱梁、橫梁、橋面等結構受力情況，為今后提籃拱橋設計提供參考。

1 有限元模擬建立

選取某50m 跨徑系桿提籃拱橋，拱肋與橋面傾角為75°，主梁采用縱橫梁結構體系，上鋪橋面板厚度為0.15m，拱肋截面尺寸為1.1×1.2m，拱肋之間采用三根橫撐連接，吊桿直徑為0.016m。本文利用Midas Civil 2019 有限元分析軟件進行計算，拱肋、主梁、橋墩采用梁單元模擬，橋面板采用板單元模擬，系桿采用桁架單元模擬。

本文建立的有限元空間模型如圖1 所示。

圖1 提籃拱橋有限元模型

2 結構受力分析

2.1 縱、橫梁結構受力

縱梁、橫梁直接承受來自橋面板傳遞的荷載，在恒載+

活載作用下，結構彎矩包絡圖如圖2 所示。

圖2 縱（上）、橫梁（下）彎矩包絡圖（kN·m）

由于吊桿的拉力作用，將原縱梁簡支結構轉換為彈性支點梁，縱梁結構彎矩較為平穩，恒載+活載作用下，彎矩最大值為419.4kN·m，最小彎矩為160.8kN·m；除端橫梁外（端橫梁計算詳見后文），其余橫梁結構彎矩形狀與數值基本相同，最大彎矩位于車道荷載下方，數值為301.2kN·m，最小彎矩位于橫梁端部，數值為129.0kN·m。

2.2 主拱結構

拱肋是橋梁的主要受力結構，主要承擔吊桿傳遞的橋梁自重及汽車活載。主拱結構軸力、彎矩圖如圖3a、圖3b、圖3c 所示。

圖3

由圖3a 可知，拱肋承受較大軸向壓力，最大軸力位于拱腳位置，數值為3436.2kN（壓力），最小軸力位于跨中位置，數值為2574.4kN（壓力）。

由圖3b 可知，拱肋最大剪力位于拱腳位置，數值為206.4kN，設計過程中，建議對拱腳位置箍筋進行加密處理。

由圖3c 可知，拱肋在恒載+活載作用下截面最大正彎矩為506.9kN·m，最大負彎矩為466.9kN·m，最大值均位于拱腳位置。

由圖3a)、b)、c)可知，拱肋在承受較大的軸力同時，也承受一定的剪力與彎矩。設計過程中，應優化調整矢跨比，盡量減少拱肋偏心受壓對結構強度、穩定性造成的不利的影響。

2.3 橫撐結構

橫撐結構將兩側主拱連接，主要起橫向穩定作用。

由圖4 可知，在恒載+活載作用下，跨中位置橫撐軸向拉力最大值為58.1kN，軸力壓力最大值為19.7kN。另兩根橫撐拉力最大值為31.7kN，最大壓力值為158.7 kN。

圖4 恒載+活載作用下軸力包絡圖

2.4 吊桿

本次吊桿采用僅受拉桁架單元模擬，吊桿在恒載、活載作用下結構受力情況如圖5a、5b 所示。

圖5

恒載作用下，吊桿最大拉應力位于1/4 位置，數值為796.7MPa；最小拉應力位于梁端位置，數值為686.2MPa。

活載作用下，吊桿最大拉應力位于1/4 位置，數值為240.7MPa；最小拉應力位于1/2 跨中位置，數值為170.2MPa。

吊桿在拱橋體系中起到承上啟下的連接作用。本次吊桿采用高強鋼絲制作而成，為了保證橋梁的正常運營，需要定期對吊桿檢修與養護，同時，設計過程中，也要考慮一定程度的安全系數富余。

2.5 端橫梁

主拱與主梁剛性連接，端橫梁承受較大彎矩。彎矩圖如圖6 所示。最大彎矩位于橋梁對稱中心線位置，數值為501.1kN·m。端橫梁相對于其他橫梁來說，數值約為其他橫梁的166.4%，設計過程中，需要對端橫梁進行加強處理。

圖6 端橫梁彎矩圖（kN·m）

3 結語

本文分析了提籃拱系桿拱橋縱橫梁、拱肋、吊桿等結構受力情況，為今后提籃拱設計提供一定參考。得到以下主要結論：

（1）由于吊桿作用，主梁彎矩沿順橋向變化較為平緩，最大值為419.4kN·m。

（2）主拱為拱橋的主要受力結構，承受較大軸向壓力。故設計中常采用鋼筋混凝土材料或鋼管混凝土材料。主拱最大軸力位于拱腳位置，數值為3436.2kN，設計中，應加強對拱腳位置的強度計算。

（3）吊桿主要承受主梁的荷載，最大拉應力為796.7MPa。為了保證運營過程中的安全，設計中，應考慮一定程度安全系數的富余。

（4）相比橋梁跨中中部橫梁，端部橫梁承受較大彎矩，需進行強化設計。