提篮拱桥拱肋及横撑对其稳定性的影响

常建忠

提篮拱桥是近年来在提篮拱桥基础上发展起来的一种新型的拱桥结构形式，但是稳定问题始终是拱桥设计、施工中的一个重要问题，结构失稳往往导致结构整体垮塌，且发生较为突然，危害极大，拱桥因失稳而导致结构破坏的情况时有发生[1]。影响钢管混凝土拱桥稳定性的因素有吊杆、系杆、拱肋以及拱肋间的横撑，本文采用MIDAS/Civil建立有限元模型，分析拱肋和拱肋间横撑对某提篮拱桥稳定性的影响。

1 工程背景

该桥位于广珠货运客运专线上，跨径为112m(见图1)，梁全长116m，计算跨长为112m，拱肋平面内矢高22.4m，拱肋采用悬链线。拱肋截面采用哑铃形钢管混凝土截面，钢管内采用C55无收缩混凝土填充，截面高度h=3.0m，沿程等高布置，钢管直径为1 200mm，由厚18mm的钢板卷制而成，每根拱肋的两钢管之间用腹板连接。每隔一段距离，在圆形钢管内设加劲环、在两腹板中焊接拉筋。拱肋在横桥向内倾 9°，形成提篮式，拱顶处两拱肋中心距6.99m，拱脚处两肋中心距14.00m。

系梁采用 C50混凝土，按整体箱形梁布置，采用单箱三室预应力混凝土箱形截面，桥面宽15.6m，梁高2.5 m。拱脚顺桥向8.0m范围内设成实体段，横桥向宽度由15.6m增至 16.6m，截面渐变处设倒角或过渡段。吊杆布置采用尼尔森体系，在吊杆平面内，横桥向水平夹角为 81°，吊杆顺桥向间距为 8m。两拱肋之间共设5道横撑，拱顶处设X型撑，拱顶至两拱脚间设4道K型横撑[2]。

2 有限元模型的建立

本文采用桥梁通用有限元软件MIDAS/Civil来模拟，全桥分为 666个节点，779个单元，采用梁单元来模拟桥梁结构，主桥由系梁、拱肋、吊杆、桥面系组成，主梁两端采用铰接，其中右端 x方向不约束，桥面系采用均布荷载分布在桥面上。全桥有限元模型见图2。

3 计算结果分析

3.1 对横撑变化的计算结果的分析

在自重加二期荷载作用下，分析计算结果见表 1。

表1 模型概况及稳定系数

由表 1可知，减少 K撑将使结构的稳定性降低，稳定系数大大降低，K撑的位置不同，结构的稳定性也不同，靠近拱顶的K撑比拱脚的K撑的稳定性要大，将K撑全部改为一字撑后，结构的稳定性也会大大的降低。

3.2 拱的变化对自振基频的影响

拱的刚度对整个结构的稳定性有影响，为了研究拱的刚度的变化对结构稳定性的影响，本文从改变钢管拱的直径和钢管的壁厚两个方面来模拟。具体计算结果见表 2，表 3。

表2 直径不同的钢管基频对比(钢壁厚18mm)

从表2可以看出，在钢壁厚18 mm的情况下，随着钢管直径的增加，结构的稳定系数增大，稳定性增强，因此可在适当的条件下增加钢管的直径来增加拱桥的稳定性。

表3 钢壁厚不同的钢管基频对比(钢管直径1.2m)

从表3可以看出，在钢管直径为1.2m的情况下，随着钢管壁厚增加，结构的稳定系数将增大，但没有增加钢管直径那样明显[3-5]。

4 结语

本文以 112m提篮拱桥为例，计算分析了提篮拱桥的稳定性能，得出了各种情况下结构的稳定系数，减少拱肋的横撑，结构的稳定系数将减小，其中采用K撑的拱肋的稳定性比采用一字形横撑的稳定性要好;在保持钢管壁厚为18mm不变的情况下，随着钢管的直径增加，结构的稳定性增加;在保持钢管直径为1.2m的情况下，随着钢管壁厚的增加，结构的稳定性增加。

[1] 刘夏平.桥梁工程[M].北京:科学出版社，2005.

[2] 中铁第四勘察设计院集团有限公司.跨某高速公路大桥 112m拱桥设计资料[Z].2009.

[3] 刘晶波，杜修力.结构动力学[M].北京:机械工业出版社，2005.

[4] 杨海平，赵灿辉，陈舣亦.肋间横撑对钢管混凝土拱桥稳定性的影响[J].公路交通技术，2005(2):25-30.

[5] 郭玉平.客运专线 112m提篮拱桥施工过程仿真分析计算[D].长沙:中南大学硕士论文，2009:41-42.