上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩定性影響參數分析

摘要：為研究上承式鋼筋混凝土拱橋不同設計參數對其成橋穩定性的影響，文章選取矢跨比、拱軸系數、主拱混凝土強度等級、主拱截面構造參數（高、寬及板厚）等關鍵參數作為結構成橋穩定分析的影響參數，研究不同設計參數對上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩定性的影響大小。結果表明：矢跨比、主拱混凝土強度等級、主拱截面高、寬及頂底板厚度為結構成橋穩定性影響主要參數，拱軸系數、腹板厚度為次要參數；實際拱橋設計中應以結構成橋穩定性為重點，綜合經濟、施工、景觀等因素對設計參數進行合理取值。

關鍵詞：橋梁工程；鋼筋混凝土拱橋；設計參數；成橋穩定性；影響分析

中圖分類號：U448.22" " "文獻標識碼：A" " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.039

文章編號：1673-4874（2024）11-0129-04

0引言

大跨度上承式鋼筋混凝土拱橋以其跨越能力大、受壓性能好、工程造價低、后期養護少等優點，被廣泛應用于我國西部山區橋梁建設中［1-3］，尤其在廣西、貴州等山區跨越峽谷的橋梁建設中應用最為廣泛，一般采用掛籃懸澆斜拉扣掛施工［4］。

上承式鋼筋混凝土拱橋以受壓為主，結構易受壓屈曲，導致全橋整體失穩［5-8］。因此，成橋穩定性是上承式鋼筋混凝土拱橋設計中的核心環節。其性與混凝土強度等級、矢跨比、拱軸系數、主拱截面構造參數（高、寬及板厚）等關鍵參數取值息息相關，非常有必要對各關鍵參數進行成橋穩定性的影響分析，從而更好地指導上承式鋼筋混凝土拱橋設計參數的合理取值。

本文選取矢跨比、拱軸系數、主拱混凝土強度等級、主拱截面構造參數（高、寬及板厚）等關鍵參數作為結構成橋穩定性的影響參數，研究各設計參數對上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩定性的影響情況，為同類拱橋設計與施工提供參考。

1工程概況與有限元模型的建立

1.1工程概況

本文依托工程為廣西某高速公路上一座跨峽谷的鋼筋混凝土拱橋，橋跨布置為2×30 m+150 m+2×30 m，其中主橋為跨度145 m的上承式鋼筋混凝土拱橋，矢跨比1/4.5，拱軸系數1.70，橋型立面如圖1所示。

橋梁總橋寬16.25 m，主拱采用C55混凝土，橫向布置兩個間距9 m單箱單室箱型主拱，單片主拱截面高2.80 m、寬2.50 m，腹板厚0.40 m，頂底板厚0.40 m，其橫斷面如圖2所示。

1.2有限元模型的建立

采用Midas Civil 2022建立主橋的整體有限元模型，共計節點624個，單元768個，其結構整體有限元模型如圖3所示。

2矢跨比對結構成橋穩定性的影響

矢跨比是影響上承式鋼筋混凝土拱橋受力的核心設計參數。不同矢跨比下結構受壓狀態不同，其結構成橋穩定性大小也不同。

本文選取6組不同矢跨比（取1/6.5～1/4.0，為上承式鋼筋混凝土拱橋正常矢跨比范圍），分析上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩定性受矢跨比的影響大小。

經有限元計算，不同矢跨比下結構成橋穩定系數計算結果見下頁表1，分布曲線見下頁圖4。

由表1和圖4可知，上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩定系數隨矢跨比增大呈線性增大，可見矢跨比是影響結構成橋穩定的主要參數。

實際設計中可通過增大矢跨比來提高結構成橋穩定性，但過大的矢跨比導致主拱過陡不利于施工，且景觀性相對較差。因此，從結構穩定、施工便利、景觀等方面考慮，上承式鋼筋混凝土拱橋可選擇較大矢跨比，但不宜過大，1/5.5～1/4較為合適。

3拱軸系數對結構成橋穩定性的影響

選取六組不同拱軸系數（取1.2～2.2，上承式鋼筋混凝土拱橋正常拱軸系數范圍），分析上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩定性受拱軸系數的影響大小。

經有限元計算，不同拱軸系數下成橋穩定系數計算結果見表2，分布曲線見圖5。

由表2和圖5可知，上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩定系數隨拱軸系數增大變化非常小，可見拱軸系數對上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩定性影響相對不大，為次要影響參數。

4主拱混凝土強度等級對結構成橋穩定性的影響

混凝土作為一種以抗壓為主的結構材料，其壓碎是拱橋失穩的主要原因。主拱圈作為拱橋最為核心的混凝土受壓承載構件，其混凝土強度等級會影響結構的整體抗失穩能力。因此，本文選取6組不同強度等級（C25～C75）混凝土的主拱，分析上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩定性受主拱混凝土強度等級的影響情況。

經有限元計算，不同主拱混凝土強度等級下結構成橋穩定系數計算結果如表3所示，分布曲線如圖6所示。

由表3和圖6可知，上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩定系數隨主拱混凝土強度等級增加而增大，增大速率逐漸變緩。可見，主拱混凝土強度等級也是影響結構成橋穩定性的主要參數。

因此，實際設計中可通過提高主拱受壓混凝土強度等級來提高結構的成橋穩定性。實際施工中也應嚴格把控主拱混凝土的配合比及水膠比，把控好混凝土質量，保證混凝土強度滿足設計要求。

5主拱截面構造參數對結構成橋穩定性的影響

不同于矢跨比、主拱混凝土強度及拱軸系數，主拱截面相關構造參數更直接影響主拱壓應力的大小，即直接影響上承式鋼筋混凝土拱橋的成橋穩定性。

5.1主拱截面高度

選取6組不同截面高度（1.8～4.3 m）的主拱，分析上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩定性受主拱截面高度的影響情況。

經有限元計算，不同主拱截面高度下結構成橋穩定系數計算結果見表4，分布曲線見圖7。

由表4和圖7可知，上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩定系數隨主拱截面高度增加呈先快速增大后逐漸趨于穩定趨勢。

可見，主拱截面高度也是影響結構成橋穩定性的主要參數，一定范圍內增加主拱截面高度可提高上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩定性。從結構安全與經濟等角度出發，主拱截面高度在一定范圍內宜取大值。

5.2主拱截面寬度對結構成橋穩定的影響分析

選取6組不同截面寬度（1.5～4.0 m）的主拱，分析上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩定性受主拱截面寬度的影響情況。

經有限元計算，不同主拱寬截面寬度下結構成橋穩定系數計算結果見表5，分布曲線見圖8。

由表5和圖8可知，上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩定系數隨主拱截面寬度增加而增大，且前期增大速率較大，后期呈穩定速率增大。

可見，主拱截面寬度也是影響結構成橋穩定性的主要參數，從結構安全與經濟等角度出發，主拱截面寬度可相對取大值，但不宜取值過大。

5.3主拱頂底板厚度對結構成橋穩定性的影響

選取5組不同截面底板厚度（10～120 cm）主拱，分析上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩定性受主拱底板厚度的影響情況。

經有限元計算，不同主拱頂底板厚度下結構成橋穩定系數計算結果見表6，分布曲線見圖9。

由表6、圖9可知，上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩定系數隨頂底板厚度增加呈先增大后減小趨勢，在厚度80 cm左右達到最大?？梢?，主拱頂底板厚度也是影響結構成橋穩定性的主要參數。

實際設計中可通過增加主拱頂底板厚度來提高結構成橋穩定性，但取值不宜過大，從結構安全與經濟等角度出發，取40～60 cm較為合適。

5.4主拱腹板厚度對結構成橋穩定性的影響

選取6組不同主拱腹板厚度（1.5～4.0 m）的主拱，分析上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩定性受主拱腹板厚度的影響情況。

經有限元計算，不同主拱腹板厚度下結構成橋穩定系數計算結果見表7，分布曲線見圖10。

由表7、圖10可知，上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩定系數隨主拱腹板厚度增加變化較小。

可見，主拱腹板主要還是以抗剪為主，腹板厚度對上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩定性影響相對有限，為影響結構成橋穩定性的次要參數。

6結語

本文依托實際工程，分別分析了上承式鋼筋混凝土拱橋矢跨比、拱軸系數、主拱混凝土強度等級、主拱截面構造參數（高、寬及板厚）等關鍵設計參數對結構成橋穩定性的影響，主要結論如下：

（1）矢跨比是影響上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩定性的主要參數，從結構安全、施工及景觀等方面考慮，取1/5～1/4為宜。

（2）拱軸系數為影響上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩定性的次要參數。

（3）主拱混凝土強度等級為影響上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩定性的主要參數，實際設計中可采用較高強度等級混凝土。

（4）主拱截面高度、寬度及頂板厚度為影響上承式鋼筋混凝土拱橋成橋穩定性的主要參數，腹板厚度為次要參數，從結構安全、施工方便及經濟等角度出發，主拱截面構造參數尺寸可相對取大值，但不宜過大。

參考文獻：

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作者簡介：溫守果（1985—），工程師，主要從事公路工程管理工作。

收稿日期：2024-05-16