系桿拱橋結構受力分析

張宗山

摘 要：系桿拱橋兼具拱橋的跨越能力和簡支梁橋對地質基礎的適應能力的優(yōu)點，故而廣泛應用于國內外的橋梁建設。本文以某系桿拱橋為研究背景，用有限元軟件Midas/Civil對橋梁進行模擬，分析其吊桿和拱肋結構受力，得出以下結論：（1）恒載引起吊桿和拱肋的內力比活載較大;（2）在恒載和活載作用下，拱肋在拱腳處彎矩較大;（3）對于有縱坡的系桿拱橋，其縱向的不對稱性會對拱肋彎矩產生影響。研究結果可為同類橋梁設計與后期加固提供參考依據。

關鍵詞：系桿拱橋;Midas/civil;受力分析

中圖分類號：U448.22+5? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）12-0151-03

系桿拱橋是主要由拱肋、吊桿和系梁組成的一種復合結構體系，因其內部超靜定外部簡支的受力特性，故兼具有拱橋的較大跨越能力和簡支梁橋對地基適應能力強兩大特點。當橋面高程受到嚴格限制而橋下又要求有較大的凈空，或當墩臺基礎地質條件不佳但又要保證較大跨徑時，系桿拱橋是一種較優(yōu)越的橋型[1-4]。由于系桿拱橋設計和施工技術逐漸趨于成熟，在許多城市建設和公路修建上得到大量運用，如廣州南沙鳳凰三橋、揚州大運河橋等，均為系桿拱橋結構[5-6]。但隨著時間推移，許多系桿拱橋均存在服役過久，使用負荷較大現象，而且當時設計和施工技術不完善，導致目前部分系桿拱橋仍存在許多問題，如出現裂縫，變形等病害，甚至直接發(fā)生倒塌，危及人民生命財產安全[7-8]。為減少此類情況發(fā)生，筆者以某系桿拱橋為研究背景，以此橋的受力情況分析其內力作用機理。具體方法為，使用有限元軟件Midas/Civil對橋梁進行數值模擬，以軟件模型模擬橋梁真實受力情況，并讀取其各部件在荷載作用下的內力情況，分析其吊桿和拱肋結構受力，本文研究結果可在同類橋梁設計以及后期加固過程中提供一定的參考依據。

1工程概況

橋梁全長179米，全寬40米，按整幅橋設計。橋型為全鋼結構系桿拱橋。橋上設置雙向6車道，兩側各6米人行道及中央4米中分帶。設計荷載為汽車荷載城-A，人群荷載按城市橋梁設計規(guī)范（CJJ 11-2011）設計。橋梁立面布置如圖1所示。

主梁采用扁平焊接鋼箱梁，共設18道縱腹板。梁兩側高1.7m，中間高1.88m，設有橫坡。頂板厚16mm，底板厚14mm。鋼箱梁頂板采用U形肋（上口寬300mm，底板寬170mm，高280mm，板厚8mm），底板采用板肋（高200mm，寬12mm）。

拱肋采用箱型截面，采用二次拋物線線型。計算跨徑為152m，矢高30m，矢跨比1/5.2 。

全橋設3道拱肋，拱圈高20m，寬為1.96m，標準斷面鋼板厚度為30mm，拱腳加強區(qū)為60mm。

全橋拱肋共有3×29根吊桿，吊桿縱向間距按5m設置，橫向軸線距15.1m。吊桿上端錨固于拱肋下緣吊耳處，下端錨固于梁底。張拉端設置在梁底。吊桿采用新型吊桿體系，每根吊桿由高強鋼絞線吊索索體與高強鋼拉桿通過連接器連接形成。吊索為15-31高強鋼絞線，采用GJ鋼絞線整束擠壓吊桿體系錨具。

2建立模型

運用Midas/Civil有限元軟件建立系桿拱橋計算模型，共384個節(jié)點，975個單元。模型中拱肋、橫撐、系梁均以梁單元進行模擬，吊桿采用桁架單元模擬，系桿拱橋計算模型如圖2所示。模型中X，Y，Z坐標分別表示系桿拱橋的縱向、橫向與豎向，坐標原點O位于中間拱肋的一側拱腳處，在原點處設置固定支座，同側另外兩個拱腳處設置約束X和Z方向的活動支座，中間拱肋另一拱腳處設置約束Y和Z方向的活動支座，其它支座設置只約束Z方向的活動支座。橋梁系梁采用梁格法進行模擬，將系梁分解成9個箱型截面，再用虛擬橫梁連接起來。

3 結構受力分析

3.1 吊桿內力

吊桿作為連接系桿拱橋拱肋和承受車輛荷載系梁的一個關鍵構件，它通過受拉使結構成為一個整體，協調整體結構受力，系桿拱橋的結構內力分布的合理性取決與吊桿受力是否合理。通過模型對系桿拱橋吊桿結構進行數值分析，提取其內力分布數據，得到在恒載、活載作用下各吊桿的索力分布情況，如圖3所示，以A、B、C分別代表左幅吊桿、中間吊桿和右幅吊桿。

根據圖3可知，恒載作用下左右幅吊桿的索力變化一致，中間吊桿索力略大于左右幅吊桿索力。考慮到橋梁存在縱坡的情況可以認為拱橋兩側吊桿的索力呈對稱分布，橋梁三組吊桿最大索力均出現在跨中位置。而活載作用下左右幅吊桿索力變化一致，而中間吊桿索力與左右幅變化差異相對較為明顯，整體上仍呈對稱分布。在恒載或活載作用下各吊桿均為受拉狀態(tài)，對比恒載和活載作用下吊桿整體索力大小，可知恒載作用為引起吊桿軸力的主要因素，而活載作用對吊桿索力影響相對較小。

3.2? 拱肋內力

拱肋是系桿拱橋中主要的承重構件，其結構構造使得拱肋主要承受軸向壓力，而更少地承受彎矩，故能合理利用材料承受更大的荷載。拱肋內力的控制對全橋整體受力和成橋線形有著決定性影響，拱肋所受彎矩的大小以及分布情況直接決定了橋梁受力的合理性，拱肋的變形也將影響橋梁線性是否與設計值一致。通過對模型在恒載及活載作用下拱肋結構的軸力和彎矩進行數值分析，提取相關數據，分析得到各單元中點軸力與彎矩的變化規(guī)律如圖4、5所示，用A、B、C分別表示左幅拱肋、中間拱肋和右幅拱肋。

根據圖4可知，拱肋結構在恒載作用下產生較大的軸向壓力，兩側各單元的軸力呈對稱分布，左右幅拱肋軸力較中間拱肋小。三條拱肋均在拱頂處軸力值最小，并沿跨中向兩側拱腳逐漸遞增。在恒載作用下拱肋在拱腳處彎矩較大，在拱肋中間段產生的彎矩較小，由于縱坡的影響，故彎矩圖不對稱，縱坡對拱肋彎矩影響較大。從圖5可以看出，在活載的作用下拱肋結構均處于受壓狀態(tài)，兩側拱肋軸力較中間拱肋大。三條拱肋的軸力均由拱頂往拱腳逐漸增大，在拱腳處達到最大值，且兩側軸力分布呈對稱趨勢。拱肋全跨彎矩均為正彎矩，且三條拱肋彎矩變化趨勢一致，均在1/4跨處彎矩最大，分別向跨中、拱腳處逐漸減小呈M形狀。

4結語

通過對某系桿拱橋進行數值模擬并對吊桿和拱肋結構受力進行數值分析，得到在恒載和活載作用下吊桿和拱肋結構的內力數據，分析其變化規(guī)律，其結果可在同類系桿拱橋設計與后期加固過程中提供一定參考依據，優(yōu)化其結構受力以及外觀線性，使橋梁更好地承受荷載。

（1）恒載作用下吊桿和拱肋的內力變化明顯要大于活載作用，橋梁所受的力更多地是為了抵抗自身結構產生的自重，活載引起各構件的軸力與彎矩值僅為恒載的10倍左右，優(yōu)化橋梁材料能夠使自重降低，提高橋梁運營效率;

（2）在恒載和活載作用下，拱肋在拱腳處彎矩較大，當拱橋設計時，應加強拱腳的強度以保證橋梁后期的正常運營，在后續(xù)的使用中應關注拱腳的結構損傷，進行荷載試驗時著重分析拱腳受力情況;

（3）對于有縱坡的系桿拱橋，其縱向的不對稱性會對拱肋彎矩產生影響，故在對橋梁進行索力優(yōu)化時應考慮到縱坡的影響，盡量使拱肋受力趨于對稱，以保證橋梁承受荷載的強度。

參考文獻：

[1] 韓保勤.鋼答混凝上拱橋吊桿張拉方案比選[J].橋梁建設，2015，45（1）：114-119.

[2] 趙銘偉.增大截面法在拱橋加固中的應用[J].山西交通科技，2017，（1）：57-60.

[3] 歐陽輝來，張萬華.新開河大橋拱腳設計及局部應力分析[J].世界橋梁，2009，（3）：33-35.

[4] 楊劍，鄒團結，汪金勝.梁拱組合拱橋拱腳局部應力分析和試驗研究[J].鐵道科學與工程學報，2014，（6）：25-29.

[5] 于剛.九堡大橋設計過程復雜節(jié)點局部分析[J].城市道橋與防洪，2011，（12）：30-33.

[6] 劉芳.下承式鋼管混凝土拱橋空間穩(wěn)定性與極限承載力研究[D].長沙：中南大學，2008.

[7] 曾勇，馬如進，譚紅梅.大跨上承式鋼管混凝土拱橋的動力特性研究[J].中外公路，2014，（3）：113-117.

[8] 陳建兵，熊秉賢，李夏元，等.鋼管混凝土拱橋新增吊桿加固設計[J].世界橋梁，2016，44（5）：83-88.