下承式鋼箱系桿拱橋拱肋參數影響分析

摘要：為研究下承式鋼箱系桿拱橋拱肋受力與變形受不同參數的影響，文章以某下承式鋼箱系桿拱橋為背景工程，通過有限元計算，對拱肋的拱軸線型、矢跨比、拱肋高度、拱肋板厚四個參數進行了影響分析，得到了拱肋受力與變形受不同參數的影響規律，可為類似工程拱肋方案的確定提供參考。

關鍵詞：下承式；系桿拱橋；拱軸線型；矢跨比；影響分析

0引言

下承式系桿拱橋為20世紀初興起的一種橋型，為梁拱組合類橋梁，一般由系桿、橋面系、吊索、拱肋等組成，上部結構整體呈簡支結構體系。與混凝土梁橋相比，其跨越能力大、建筑高度小、景觀效果佳，且非常適合在地質條件不佳的地方建設，因此在城市橋梁建設中，得到建設者的偏愛［1-2］。

下承式鋼箱系桿拱橋拱肋為鋼結構箱型，橋面系一般采用鋼格子梁疊合混凝土橋面板，通過吊索連接橋面系與拱肋，拱腳水平力則通過張拉系桿進行平衡，受力復雜，方案設計難度相對較大，而整座鋼箱系桿拱橋方案設計中拱肋方案確定難度相對最大，需要進行多方案的比選分析。因此，為能在拱肋方案確定中有一定的參考和依據，有必要對影響拱肋受力與變形的主要參數進行影響分析，找出這些參數之間的內在聯系，快速確定出合理的拱肋方案［3-6］。

本文在借鑒以往研究的基礎上，以某下承式鋼箱系桿拱橋為背景工程，選取拱軸線型、矢跨比、拱肋高度、拱肋板厚4個影響拱肋受力與變形的關鍵參數，通過有限元結構計算，分析不同參數下拱肋受力與變形的大小及變化規律，為類似工程拱肋方案確定提供參考與借鑒。

1 工程背景簡介及原始模型的建立

1.1 工程背景簡介

背景工程橋跨布置為2×30 m+150 m+2×30 m。為滿足通航及兼顧美觀要求，主橋采用了跨徑為150 m的下承式鋼箱系桿拱橋，計算跨徑為146 m，矢跨比為1/5.0，縱橋向共布設15對1 860 MPa高強鋼絲吊索，間距為9 m。主橋立面布置如圖1所示。

鋼箱拱肋原方案拱軸線為拋物線，采用等截面箱型，高2.3 m，寬1.8 m，標準橫斷面如圖2所示。

1.2 原始有限元模型的建立

為進一步研究下承式鋼箱系桿拱橋拱肋受力與變形受拱肋不同參數的影響大小，本文在背景工程的基礎上，選取拱軸線型、矢跨比、拱肋高度、拱肋板厚4個影響拱肋受力與變形的關鍵參數，采用Midas Civil軟件建立主橋模型，通過有限元結構計算，分析不同參數下拱肋受力與變形的大小及變化規律。其有限元模型如圖3所示。全橋共計節點426個，單元402個。

2 拱軸線型對拱肋的影響分析

拱軸線型是拱肋方案確定中最為主要的參數，其直接影響拱肋的受力與變形，常用的拱軸線型有圓弧線、拋物線、懸鏈線3種。

下文以背景工程為基礎，選取6組不同類型的拱軸線型（m為懸鏈線拱軸系數），分析恒載作用下鋼箱系桿拱橋拱肋受力與變形受拱軸線型的影響情況。

2.1 拱軸線型對拱肋應力的影響分析

經有限元分析計算，6組不同類型拱軸線型下拱肋關鍵截面應力影響結果如表1所示。

由表1分析可知，圓弧線拱肋截面整體應力偏大，且上下緣應力差最大，截面受力不均勻；拋物線型拱肋截面整體應力較小，上下緣應力差相對最小，拱肋受力較為均勻；拱軸系數較小的懸鏈線拱肋截面上下緣應力差也相對較小，且隨著拱軸系數的增大上下緣應力差也逐漸增大。因此，對于恒載分布較為均勻的下承式鋼箱系桿拱橋的合理拱軸線可以選擇拋物線或拱軸系數較小的懸鏈線。

2.2 拱軸線型對拱肋位移的影響分析

經有限元分析計算，6組不同類型拱軸線型對拱肋位移的影響結果如圖4所示。

由圖4分析可知，拱肋位移最大值均發生在跨中，且整體上表現為：圓弧線拱>懸鏈線>拋物線。其中，圓弧線跨中最大位移達到88 mm，差不多為拋物線拱的3倍；懸鏈線拱位移隨拱軸系數的增大而增大，但整體比圓弧線拱小。因此，從位移角度出發，拋物線拱變形相對最小，拱軸線型更優。

綜合以上6組不同類型拱軸線型下的拱肋受力與變形分析可知，對于恒載分布較為均勻的下承式鋼箱系桿拱橋的合理拱軸線可以選擇拱肋受力與變形相對更小，截面應力更為均勻的拋物線（也可考慮拱軸系數較小的懸鏈線）。背景工程拱肋拱軸線為拋物線，與本節分析所得結論較為吻合。

3 矢跨比對拱肋的影響分析

矢跨比是影響拱肋受力與變形的另一個主要因素，是拱橋的一個特征數據，不但影響拱圈的受力，也關系到拱橋的景觀外形。下文以背景工程為基礎，選取5組不同矢跨比拱肋，分析恒載作用下鋼箱系桿拱橋拱肋受力與變形受矢跨比的影響情況。

3.1 矢跨比對拱肋應力的影響分析

經有限元分析計算，5組不同矢跨比對拱肋關鍵截面應力的影響結果如下頁表2所示。

由表2分析可知，除拱腳截面上緣外，其他截面上下緣應力均隨矢跨比減小而增大，且變化幅度相對較大，可見拱肋截面應力與矢跨比呈正相關。

3.2 矢跨比對拱肋位移的影響分析

經有限元分析計算，5組不同矢跨比對拱肋位移的影響結果如圖5所示。

由圖5分析可知，拱肋位移最大值基本發生在跨中（矢跨比為1/4時，最大位移發生在1/4截面處），且拱肋位移均隨矢跨比減小而增大。當矢跨比為1/4時，拱肋最大位移為17 mm，當矢跨比為1/8時，拱肋最大位移為118 mm，矢跨比相差1倍，最大位移則相差近6倍。由此可見，矢跨比對拱肋位移的影響非常大。

綜合以上5組不同矢跨比下的拱肋受力與變形分析可知，矢跨比對拱肋的受力與變形的影響均非常大，矢跨比越大對結構受力與變形越有利，但矢跨比過大，拱肋安裝則較為困難，且景觀效果不佳。因此，實際方案確定中不一定需要選擇過大的矢跨比，宜從結構受力、施工、景觀等角度綜合考慮，選擇合適的矢跨比。

4 拱肋高度對拱肋的影響分析

拱肋高度也是影響拱肋受力與變形的一個重要因素。下文以背景工程為基礎，同樣選取5組不同高度拱肋，分析恒載作用下鋼箱系桿拱橋拱肋受力與變形受拱肋高度的影響情況。

4.1 拱肋高度對拱肋應力的影響分析

經有限元分析計算，5組不同拱肋高度對拱肋關鍵截面應力的影響結果如表3所示。

由表3分析可知，拱肋應力隨拱肋高度增大而減小，幾乎呈線性變化，且各截面應力影響程度均差不多，但整體影響值相對不大。由此可見，拱肋高度對拱肋應力影響相對較小。

4.2 拱肋高度對拱肋位移的影響分析

經有限元分析計算，5組不同拱肋高度對拱肋位移的影響結果如圖6所示。

由圖6分析可知，拱肋位移隨拱肋高度增大而減小，且對跨中影響最大，但整體影響相對較小。由此可見，拱肋高度對拱肋位移的影響相對較小。

綜合以上5組不同拱肋高度下的拱肋受力與變形分析可知，拱肋高度對拱肋受力與變形的影響相對較小，實際方案確定中選擇合適的拱肋高度即可。

5 拱肋板厚對拱肋的影響分析

拱肋板厚主要指頂、底板及腹板厚度，一般厚度一致，其也是影響拱肋受力與變形的一個非常重要的因素。下文以背景工程為基礎，同樣選取5組不同板厚拱肋，分析恒載作用下鋼箱系桿拱橋拱肋受力與變形受拱肋板厚的影響情況。

5.1 拱肋板厚對拱肋應力的影響分析

經有限元分析計算，5組不同拱肋板厚對拱肋關鍵截面應力的影響結果如表4所示。

由表4分析可知，拱肋應力隨拱肋板厚增大而減小，呈指數變化，且變化幅度相對較大。可見，板厚對拱肋受力的影響非常大，且對拱腳上下緣應力的影響相對最大。

5.2 拱肋板厚對拱肋位移的影響分析

經有限元分析計算，5組不同拱肋板厚對拱肋位移的影響結果如圖7所示。

由圖7分析可知，拱肋位移隨拱肋板厚增大而減小，且對跨中影響最大，當拱肋厚度由10 mm變化至50 mm時，拱肋跨中最大位移變化值近一倍。由此可見，板厚對拱肋變形的影響也非常大。

綜合以上5組不同板厚下的拱肋受力與變形分析可知，拱肋板厚對拱肋的受力與變形影響均非常大，拱肋板越厚對結構受力與變形越有利，但過厚的拱肋（板厚≥40 mm時），需要考慮其厚度方向性能，且整體制造、焊接與安裝均較為困難。因此，實際方案確定中可以從結構受力角度出發選擇較厚的拱肋，但建議板厚宜≤40 mm。

6 結語

本文以背景工程為研究對象，分析了下承式鋼箱系桿拱橋拱肋的拱軸線型、矢跨比、拱肋高度、拱肋板厚對其拱肋應力與變形的影響大小，得到主要結論如下：

（1）下承式鋼箱系桿拱橋拱肋可以選擇拋物線或拱軸系數較小的懸鏈線作為其合理拱軸線。

（2）矢跨比對下承式鋼箱系桿拱橋拱肋的受力與變形影響較大，實際方案確定中宜從結構受力、施工、景觀等角度綜合考慮，合理選取。

（3）拱肋高度對下承式鋼箱系桿拱橋拱肋受力與變形影響相對較小，實際方案確定中選擇合適的拱肋高度即可。

（4）拱肋板厚對下承式鋼箱系桿拱橋拱肋的受力與變形影響相對較大，實際方案確定中可以從結構受力角度出發選擇較厚的拱肋，但板厚宜≤40 mm。

參考文獻：

［1］曾有鳳.鋼管混凝土拱橋拱軸線參數敏感性分析［J］.西部交通科技，2021（5）：109-111，150.

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［3］于訓濤.某大跨度系桿拱橋的參數分析［J］.城市道橋與防洪，2021（3）：52-54，71，12.

［4］鄧小康，謝肖禮，徐恭義.等截面空腹式拱橋恒載壓力線的參數方程解析解及其運用［J］.中外公路，2018，38（3）：147-152.

［5］謝海清，徐 勇，陳 列，等.滬昆高鐵北盤江特大橋主拱結構形式及參數比選［J］.橋梁建設，2019，49（2）：97-102.

［6］龍 漢，劉 劍.鋼管混凝土系桿拱橋靜力參數敏感性分析［J］.鐵道科學與工程學報，2019，16（2）：419-425.

作者簡介：吳開源（1989—），工程師，主要從事投資管理、工程項目經營策劃和施工技術管理工作。