大跨径斜靠式拱桥静力性能及结构参数分析

吴刚

（江西省交通设计研究院有限责任公司，江西 南昌 330001）

1 工程概况

某城市外围跨江桥梁，桥面宽29.5m，设计荷载为行车荷载：城市-A，公路-I校核，行人荷载3.5kN·m-2，该桥梁按照五连跨下承式拱桥型式设计，跨径组合为90m+110m+152m+110m+90m，主跨设计跨度达152m，属于大跨径斜靠式拱桥。该桥梁造型新颖，结构特殊，与传统拱桥结构相比，其力学性能颇为不同，主拱主要采用水平力自平衡组合拱梁形式，主拱之下所设置的主梁是承受全桥恒载和活载的主要结构；水平系杆也设置在主拱之下，发挥着克服恒载和活载所产生的水平推力的作用；小纵梁设在斜拱下，在支撑桥面板的同时还能促使斜拱水平刚度的有效提升，确保主拱刚度和斜拱刚度协同一致；该大跨径斜靠式拱桥还设置横撑，拱肋的横向稳定有保障。

2 斜靠式拱桥力学性能分析

2.1 水平荷载下拱肋的受力性能

根据对水平荷载作用于拱肋后的轴力和弯矩分配情况的分析发现，竖拱拱肋和斜拱拱肋轴力大小及分布方式相同，方向相反；而且拱肋所产生的弯曲变形也承受和抵消了部分倾覆力矩[1]，其在拱脚处所承担的弯矩甚至达到轴力抵抗力矩的20%。根据相关分析可知，水平力所产生的倾覆力主要通过水平荷载下竖拱和斜拱所形成的结构体系转化为各自的轴向力[2]，所以导致拱肋所承受弯矩值的减小，使拱肋结构承载力显著提升。所以，普通拱桥水平荷载主要由拱肋结构受弯承受，而大跨径斜靠式拱桥水平荷载则由斜拱轴向变形承受。

2.2 竖向荷载下拱肋的受力性能

根据竖向荷载下斜靠式拱桥拱肋轴力分布和弯矩情况可知，拱肋在竖向荷载的影响下会产生较大的轴向力，通过比较分析斜拱和竖拱中轴力的分布发现，斜拱和竖拱所承担轴力分别为总轴力的1/8和7/8，且竖向荷载影响下拱肋弯矩和轴力具有相似的分布形态，斜拱所承担的弯矩仅为总弯矩的15%[3]。可见，斜拱肋对承担竖向荷载的贡献明显小于竖拱拱肋，所以，竖拱拱肋是大跨径斜靠式拱桥中主要的承重构件，且由于竖向荷载影响下连杆和吊杆位置存在剪应力突变，所以竖拱拱肋和斜拱拱肋弯矩的变化并不连续。因拱肋截面受力情况的复杂性，必须充分重视拱肋弯矩的作用，特别是拱脚处弯矩最大的区域。

3 斜靠式拱桥结构参数分析

影响大跨径斜靠式拱桥受力结构稳定的参数主要有矢跨比、吊杆间距、拱肋倾角及横撑位置和横撑数量。

3.1 矢跨比

大跨径斜靠式拱桥的矢跨比是决定桥梁结构应力和稳定性的重要参数，对于既定的拱桥截面和跨径，当矢跨比较小时，拱弧较短，拱肋所用材料量较少，但因荷载均匀分布，轴压和拱推力均较大，并随着拱圈内轴向压力的增加，系梁所承受的拉力增加，混凝土收缩、弹性压缩及混凝土温度等附加内力增大。可见，加强矢跨比控制能有效保证拱桥内力分布的合理性并降低施工材料使用量。本工程将主拱矢跨比分别设定为1/4.5、1/5、1/6、1/7，并进行大跨径斜靠式拱桥结构内力变化情况分析。结果表明，随矢跨比的减小，主拱内力、系梁及斜拱弯矩均增大，且在主拱矢跨比从1/4.5变动至1/5时主拱和斜拱轴力均有较大幅度增加，主拱矢跨比从1/5变动至1/6时主拱和斜拱弯矩变动幅度较大，而弯矩对拱桥结构的影响更为不利，所以，大跨径斜靠式拱桥矢跨比应控制在1/5以上。

根据对本斜靠式拱桥不同矢跨比下结构稳定安全系数的分析以进行桥梁结构稳定性判断，结果详见表1，由稳定安全系数的变动趋势可以看出，矢跨比取值越大，则拱桥结构稳定安全系数相应增大。

表1 不同矢跨比所对应的稳定安全系数

3.2 吊杆间距

系梁和拱肋之间的传力主要通过吊杆进行，吊杆布置形式影响桥面刚度、系梁结构内力、拱肋自振特性等。该桥梁斜拱平面内的斜拱吊杆采用竖直吊杆形式，通过比较设置间距分别为3m、4m、5m的吊杆对系梁、主拱、斜拱内力的影响发现，随吊杆间距增大，斜拱内力表现出较大的不利反应，对于吊杆结构自重和间距呈反比的情况下，吊杆间距应控制在3～4m的范围内，以确保吊杆受力沿跨中对称分布，中间张力大，两侧张力小，所对应的吊杆力安全系数为5.34～3.23，符合相关规范（结果详见表2）。通过比较不同吊杆间距下所对应的结构稳定安全系数可以看出，随着吊杆间距的增大，结构恒载比降低导致结构稳定安全系数先升后降，且随着吊杆间距的进一步增大，其约束力逐渐变弱，为此，本桥梁吊杆间距按照3～4m设计。

表2 吊杆间距所对应的稳定安全系数

3.3 拱肋倾角

大跨径斜靠式拱桥拱肋倾角也对拱桥设计质量存在较大程度的影响，通过分析拱肋倾角分别为28°、22°、25°、16°、19°时所导致的拱桥力学性能变化趋势规律，以便了解和掌握拱桥受力特性。若拱肋倾角设置不合理，待拱桥建成后在吊杆非保向力的影响下，拱肋会倾斜于受力较小侧，并加大拱顶横向位移。为确保拱肋组合结构的稳定性，必须分析拱肋倾角对拱桥力学性能的影响，通过对拱顶横向位移的控制，确定出拱肋倾角取值的合理范围[5]。通过分析表明，较小的拱肋倾角不利于主拱、系梁、斜拱受力的均匀性，但是拱肋倾角在19°～25°范围内时，轴力变化趋势变得较为缓和，且拱顶横向位移不超过4mm。

3.4 横撑设置位置及数量

横撑的设置能明显提升大跨径斜靠式拱桥结构的横向稳定性，而且拱桥结构内力受横撑数量、设置间距、设置位置等的影响较大，拱肋横向刚度受横撑影响后进而影响全桥的受力情况和稳定性。本文对横撑数量11、9、7（分别对应横撑间距6m、7.5m、10m）的情况进行拱桥结构受力和稳定性分析，结果表明，随着横撑数量的减少和间距的增大，斜拱弯矩与轴力明显增大，且拱脚处横撑对主拱弯矩影响最为显著，拱脚和拱顶处横撑对斜拱弯矩影响最大。

4 结语

通过本文对具体大跨径斜靠式拱桥静力性能的分析可知，竖向荷载作用于拱桥结构后斜拱拱肋所承担竖向荷载较小，大部分竖向荷载由竖拱拱肋所承担；而水平荷载作用于拱桥结构导致竖拱和斜拱轴力反方向变化，所产生的倾覆力矩主要由抗矩承担，所以，大跨径斜靠式拱桥稳定性较好，但在水平荷载和竖向荷载的共同作用下，很容易引发左拱肋竖拱拱脚和右拱肋斜拱拱脚同时失稳。对大跨径斜靠式拱桥结构参数分析结果表明，矢跨比从1/5减小至1/6时，拱桥结构内力值增大幅度较大，且随矢跨比的增大，结构稳定安全系数缓慢增加；吊杆间距越大则越不利于斜拱结构受力和稳定，且保证拱桥结构稳定的吊杆间距在3.0～4.0m之间；拱肋倾角应控制在19°～25°范围内，以使轴力变化趋势更加缓和，并获得最小的拱顶横向位移。根据对上述结构参数的分析结果，大跨径斜靠式拱桥拱肋面以外出现反对称失稳模态的属性决定了其结构参数无论怎样变化，结构稳定性均主要由横向支撑刚度决定。