中承式鋼箱拱橋成橋穩(wěn)定性參數(shù)影響分析

中圖分類號(hào)：U448.52文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.027

文章編號(hào)：1673-4874（2025）01-0091-03

0 引言

中承式鋼箱拱橋憑借其橋下凈空高、跨越能力大、受壓性能好、施工速度快、景觀效果佳的優(yōu)點(diǎn)，在大跨徑拱橋建設(shè)中非常具有競(jìng)爭(zhēng)力，被廣泛應(yīng)用于公路及城市橋梁建設(shè)中[1-2]。

相比以受彎為主的大跨徑梁橋，中承式鋼箱拱橋通過吊索及拱上立柱將橋面系自重及活載（汽車荷載與人群荷載）傳至鋼箱拱肋，整個(gè)鋼箱拱肋處于偏心受壓狀態(tài)，其受壓穩(wěn)定性的大小則直接影響整座橋梁的結(jié)構(gòu)安全。而進(jìn)一步分析可知，拱肋受壓內(nèi)力的大小與其拱肋參數(shù)的合理取值息息相關(guān)，合理的設(shè)計(jì)參數(shù)能使拱肋均勻受壓，結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定系數(shù)更大，受壓穩(wěn)定性更好。因此，為能在拱肋設(shè)計(jì)時(shí)選擇更為合理的設(shè)計(jì)參數(shù)，有必要對(duì)其拱軸系數(shù)、矢跨比、拱肋橫撐、拱肋傾角等影響結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析，深入研究各關(guān)鍵參數(shù)對(duì)其成橋穩(wěn)定性的影響大小。對(duì)此，國內(nèi)外學(xué)者也開展了不少研究[3-7]。

本文則在以往研究的基礎(chǔ)上，以背景工程為依托，分析中承式鋼箱拱橋拱軸系數(shù)、矢跨比、拱肋橫撐、拱肋傾角四個(gè)拱肋關(guān)鍵參數(shù)在不同取值時(shí)其成橋穩(wěn)定系數(shù)的大小和變化規(guī)律，即分析不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)中承式鋼箱拱橋成橋穩(wěn)定性的影響大小，為中承式鋼箱拱橋參數(shù)的合理取值提供參考與借鑒。

1工程概況

背景工程為廣西某高速公路上一座跨河流的橋跨布置為 5×30m+253m+4×30 m的中承式鋼箱拱橋，主橋凈跨徑為225m。橋型立面布置如圖1所示。拱軸線為矢跨比為 1/4.0 拱軸系數(shù)為1.20的懸鏈線。

橋梁引橋橋?qū)?12.5m ，主橋?yàn)榉奖銉砂度嗣癯鲂校鈧?cè)設(shè)寬2.5m的人行道，鋼箱拱肋橫橋向間距為15m，等間距共設(shè)置了6道I字橫撐，縱橋向吊桿間距為 共16對(duì)。

鋼箱拱肋采用橋梁結(jié)構(gòu)用鋼Q355qD，單箱單室，截面高2.8m、寬2.0m、板厚25cm。

2有限元模型的建立

為分析中承式鋼箱拱橋拱軸系數(shù)、矢跨比、拱肋橫撐、拱肋傾角對(duì)其成橋穩(wěn)定性的影響大小，采用Midas軟件建立背景工程主橋整體有限元模型，共計(jì)節(jié)點(diǎn)893個(gè)、單元1204個(gè)，考慮恒載與活載的最不利工況組合。主橋有限元模型如圖2所示。

3拱軸系數(shù)對(duì)成橋穩(wěn)定性的影響分析

大跨徑拱橋一般選擇懸鏈線作為其拱肋的合理拱軸線形，拱軸系數(shù)一般在 。本文為分析中承式鋼箱拱橋成橋穩(wěn)定性受拱軸系數(shù)的影響大小，選取 六組不同拱軸系數(shù)的懸鏈線形拱肋，以背景工程主橋整體有限元模型為基礎(chǔ)，建立不同拱軸系數(shù)的有限元模型，分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算。

經(jīng)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算，不同拱軸系數(shù)結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表1所示，變化曲線如圖3所示。

通過對(duì)表1與圖3的分析可知，隨著拱軸系數(shù)的不斷增大，中承式鋼箱拱橋成橋穩(wěn)定系數(shù)逐漸變小，但變化幅度相對(duì)不大。

可見，中承式鋼箱拱橋成橋穩(wěn)定性受拱軸系數(shù)的影響非常小，即拱軸系數(shù)對(duì)全橋整體穩(wěn)定性不起控制作用。

4矢跨比對(duì)成橋穩(wěn)定性的影響分析

矢跨比為拱橋最基本的設(shè)計(jì)參數(shù)，與主拱肋受力息息相關(guān)，取值一般在 。本文為分析中承式鋼箱拱橋成橋穩(wěn)定性受矢跨比的影響大小，選取1/6.0～1/3.5六組不同矢跨比的拱肋，以背景工程主橋整體有限元模型為基礎(chǔ)，建立不同矢跨比的有限元模型，分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算。

經(jīng)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算，不同矢跨比下的成橋穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2所示，變化曲線如圖4所示。

通過對(duì)表2與圖4的分析可知，隨著矢跨比的不斷增大，中承式鋼箱拱橋成橋穩(wěn)定系數(shù)逐漸變大，矢跨比由1/6.0增大至1/4.0，其穩(wěn)定系數(shù)由1.962增大至6.133，增大至原來的3倍多。

可見，中承式鋼箱拱橋成橋穩(wěn)定性受矢跨比的影響非常大，其對(duì)全橋整體穩(wěn)定性起到了非常關(guān)鍵的作用。因此，實(shí)際上在中承式鋼箱拱橋設(shè)計(jì)時(shí)為保證其具有足夠的成橋穩(wěn)定性宜選取較大的矢跨比，但過大的矢跨比不僅影響中承式鋼箱拱橋的整體美觀性，且由于過大的矢跨比其拱肋弧度越大，不利于加工制造，施工相對(duì)不利。綜合考慮，中承式鋼箱拱橋取 為宜。

5橫撐對(duì)成橋穩(wěn)定性的影響分析

橫撐是連接左右拱肋的關(guān)鍵構(gòu)件，其數(shù)量與形式也是影響中承式鋼箱拱橋成橋穩(wěn)定性的重要參數(shù)。本文為分析中承式鋼箱拱橋成橋穩(wěn)定性受橫撐的影響大小，以背景工程主橋整體有限元模型為基礎(chǔ)，建立不同橫撐數(shù)量及橫撐形式的有限元模型，分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算。

5.1橫撐道數(shù)對(duì)成橋穩(wěn)定性的影響分析

以吊索上節(jié)點(diǎn)為連接位置，分別取0、2、4、6、8、10道共6組橫撐數(shù)（I字撐），建立不同道數(shù)橫撐下的結(jié)構(gòu)有限元模型。經(jīng)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算，不同橫撐道數(shù)結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3所示，變化曲線如圖5所示。

通過對(duì)表3與圖5的分析可知，隨著橫撐道數(shù)的不斷增加，中承式鋼箱拱橋成橋穩(wěn)定系數(shù)呈先增大后逐漸趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)，在橫撐道數(shù)為6道時(shí)其成橋穩(wěn)定系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。

可見，中承式鋼箱拱橋成橋穩(wěn)定性受拱肋橫撐道數(shù)的影響較大，但在橫撐道數(shù)增加至一定數(shù)量時(shí)，結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定性逐漸趨于一個(gè)穩(wěn)定值。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)中可通過增加橫撐道數(shù)以提高中承式鋼箱拱橋成橋穩(wěn)定性，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，其橫撐增加道數(shù)不宜過多，適量即可。

5.2橫撐形式對(duì)成橋穩(wěn)定性的影響分析

前文是以I字撐這一橫撐形式進(jìn)行結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定性分析，實(shí)際橫撐形式可選擇I字撐、K形撐、×形撐、米字形撐等。現(xiàn)仍以吊索上節(jié)點(diǎn)為連接位置，分別選擇I字撐、K形撐、×形撐、米字形撐四種不同橫撐形式，建立不同橫撐形式的結(jié)構(gòu)有限元模型，經(jīng)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算，不同橫撐形式結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表4所示。

通過對(duì)表4的分析可知，不同橫撐形式的成橋穩(wěn)定系數(shù)不同，若按其成橋穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行排序則為米字形撐 gt;x 形撐 gt;1 形撐gt;I字撐，且米字形撐與×形撐成橋穩(wěn)定系數(shù)相差不大，因此為提高中承式鋼箱拱橋成橋穩(wěn)定性，橫撐形式可選擇K形撐、米字形撐或X形撐。

6拱肋傾角對(duì)成橋穩(wěn)定性的影響分析

中承式鋼箱拱橋一般為了美觀或其他需要，拱肋會(huì)選擇外傾或內(nèi)傾一定角度。本文為分析中承式鋼箱拱橋成橋穩(wěn)定性受拱肋傾角的影響大小，以背景工程主橋整體有限元模型為基礎(chǔ)，建立不同拱肋傾角的有限元模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算。

經(jīng)結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算，不同拱肋傾角結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表5所示，變化曲線如圖6所示。

通過對(duì)表5及圖6的分析可知，中承式鋼箱拱橋成橋穩(wěn)定系數(shù)隨著拱肋外傾角度（表中負(fù)角度代表外傾角）增大而逐漸減小；隨著拱肋內(nèi)傾角度（正角度代表內(nèi)傾角）增大而逐漸增大，且變化幅度與速率相對(duì)較大。可見，中承式鋼箱拱橋成橋穩(wěn)定性受拱肋傾角的影響相對(duì)較大。

進(jìn)一步分析可知，表5是在橫撐設(shè)置同背景工程即設(shè)置6道I字橫撐情況下做的參數(shù)影響分析結(jié)果。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)為了景觀效果，中承式鋼箱拱橋拱肋外傾時(shí)會(huì)取消橫撐，在取消橫撐作用下不同拱肋外傾角的結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表6所示。

通過表6可知，在不改變背景工程拱肋截面及結(jié)構(gòu)體系情況下，當(dāng)拱肋外傾取消橫撐時(shí)其結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定系數(shù)大幅度減少到原來的 ，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)已遠(yuǎn)低于 gt;4.0 的規(guī)范要求，若需使其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，則需要增加非常大的工程造價(jià)保證拱肋構(gòu)造與結(jié)構(gòu)體系得到加強(qiáng)。

綜合以上所有分析，從結(jié)構(gòu)安全與經(jīng)濟(jì)角度考慮，實(shí)際中承式鋼箱拱橋設(shè)計(jì)時(shí)拱肋可往內(nèi)傾斜一定角度，以提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，不建議往外傾斜。

7結(jié)語

本文以某中承式鋼箱拱橋?yàn)檠芯炕A(chǔ)，分析拱軸系數(shù)、矢跨比、拱肋橫撐、拱肋傾角四個(gè)拱肋關(guān)鍵參數(shù)對(duì)中承式鋼箱拱橋成橋穩(wěn)定性的影響大小，主要結(jié)論如下：

（1）拱軸系數(shù)對(duì)中承式鋼箱拱橋成橋穩(wěn)定性影響相對(duì)不大，對(duì)成橋穩(wěn)定性不起控制作用。（2）矢跨比對(duì)中承式鋼箱拱橋成橋穩(wěn)定性影響非常大，從結(jié)構(gòu)安全、施工、景觀等方面考慮，宜取1/5.0～1/4.0 （3橫撐道數(shù)及形式對(duì)中承式鋼箱拱橋成橋穩(wěn)定性影響均較大，實(shí)際設(shè)計(jì)中可適當(dāng)增加橫撐道數(shù)或更改橫撐形式以提高結(jié)構(gòu)成橋穩(wěn)定性。（4）拱肋傾角對(duì)中承式鋼箱拱橋成橋穩(wěn)定性影響相對(duì)較大，從結(jié)構(gòu)安全與經(jīng)濟(jì)等方面考慮，拱肋設(shè)計(jì)時(shí)可往內(nèi)傾斜一定角度，不建議往外傾斜。

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