大跨度钢桁架拱桥结构仿真分析

王泉清，赵 健，安路明，刘银涛

（1、广州南沙区珠江建设项目管理有限公司 广州 510630；2、中国铁建大桥工程局集团有限公司 天津 300300）

0 引言

拱桥是桥梁中一种常见的桥型，具有外形优美、承载性能好、跨越能力大的特点。在大跨度拱桥中，拱肋常见的形式有钢筋混凝土拱肋、钢管混凝土拱肋、钢箱拱肋和钢桁架拱肋，其中，钢桁架拱桥刚度大、稳定性和抗震性能均好，是大跨度拱桥中最常见的一种形式，如朝天门大桥［2］（主跨552 m 中承式钢桁架拱桥）、秭归长江大桥［3］（主跨519 m中承式钢桁架拱桥）、大宁河特大桥［4］（主跨400 m的上承式钢桁拱桥），苏岭山大桥［5］（主跨240 m下承式钢桁架拱桥）等。

钢桁架拱桥构件多，受力复杂，受到了普遍关注。国内不少学者针对钢桁架拱的结构设计开展了研究［2-3，5-9］，SHAO 等人［10］探索性研究了1000跨径桁架拱桥的可行性。黄从俊等人［11］、贺拥军等人［12］分析了不同桁架拱桥的受力特征。贺拥军等人［12］、江京翼等人［13］分析了钢桁架拱桥的稳定性。遆子龙等人［14］、雷旭等人［15］研究了大跨钢桁架拱桥及其构件的风致振动特征。

中承式钢桁架拱桥的结构形式相同，但是桁架内部构件多，不同的外荷载、不同的构件截面尺寸和形式、不同的桥跨均会导致各构件的受力特征不同。为了进一步探索中承式钢桁架拱桥各构件的受力特征。以主跨436 m 的广州南沙某大桥为背景，开展了大跨度钢桁架拱桥的受力特征分析。

1 工程概况

广州南沙某大桥主桥采用三片钢桁架拱结构，主桥跨径布置为（96+164+436+164+96+60）m，桥型立面如图1所示。桥面总宽度为43.2 m，上下层布置，分布为双向八车道车行道和预留BRT车道，典型横断面布置如图2 所示。钢桁架边桁桁高10.369 m，中桁桁高10.685 m。拱肋上下弦线形均采用二次抛物线。

图1 某大桥桥式布置Fig.1 Layout of a Bridge（m）

图2 主桥横断面Fig.2 Schematic of Main Bridge Cross Section（m）

主桁及拱肋采用Q420qD、Q370qD材质钢材，吊杆采用标准强度为1 670 MPa的镀锌平行钢丝成品吊杆。

⑴设计荷载：上层桥面8 车道及下层桥面预留BRT车道，城市-A级，各墩不均匀沉降按0.5 cm计，整体升温26 ℃、降温28 ℃。

⑵日照升温：拱肋上弦上平联+20 ℃、拱肋下弦腹杆+16 ℃、桥面板+10 ℃，拉索+10 ℃。

⑶寒潮降温：拱肋上弦上平联-15 ℃、拱肋下弦腹杆-12 ℃、桥面板-8 ℃，拉索-8 ℃。

⑷抗震设防：基本烈度为Ⅶ度，按Ⅷ度设防，设计风速按百年一遇控制设计，V10=37.6 m/s。

2 计算模型与荷载组合

采用有限元分析软件建立了空间有限模型，进行结构计算分析。采用板单元模拟桥面系，采用桁架单元模拟吊杆采用，采用梁单元模拟主桁结构、桥面横梁及横向联结系。整体结构共计9 015个节点，17 344个单元，其中梁单元共10 783个，只受拉桁架单元共81个，板单元6 480个，空间有限元模型如图3所示。

图3 大桥空间有限元模型Fig.3 The Finite Element Model of the Whole Bridge

分析了4组不同的荷载组合方式：

组合1：BRT 主力：恒载+支座沉降+上层城A 车辆+下层BRT+人行荷载；

组合2：BRT 主+纵附：BRT 主力+汽车制动力+纵向运营风荷载+温度组合；

组合3：BRT 主+横附：BRT 主力+汽车制动力+横向运营风荷载+温度组合；

组合4：恒载+支座沉降+纵向100年一遇阵风。

3 计算结果分析

3.1 结构变形分析

在荷载组合1 工况下结构竖向变形如图4 所示。主拱1/4跨度处，由活载引起的上下挠度（绝对值）之和为213 mm，挠跨比为1/2 047，满足挠跨比大于1/800的要求。主梁边跨挠跨比为1/2 159、次边跨为1/2 000、主跨为1/2 332，主梁各跨挠跨比均满足要求。在极限风荷载作用下，拱顶处结构的横向挠跨比为1/1 058。在荷载组合3 工况下，拱顶处结构的横向挠跨比为1/1 937，横向刚度较好。结构变形分析结果表明：桥梁主梁、拱肋的竖向刚度较好，拱肋横向刚度也较好。

图4 结构竖向最大变形Fig.4 Maximum Vertical Deformation of Structure（mm）

3.2 主桁结构内力验算

不同的荷载组合下，钢桁架拱桥结构各杆件内力最大值如表1所示，可知，荷载组合3为最不利组合状态，因此将荷载组合3 工况作用下各构件内力图汇总如图5所示。综合图5和表1可知：

表1 各杆件最大内力值汇总Tab.1 Summary of the Maximum Internal Force Value of Each Member

图5 各构件内力包络线图Fig.5 Internal Force Envelope Diagram of Each Component（kN·m）

⑴主拱上弦最大轴力出现在拱顶位置，下弦最大轴力出现在拱脚位置；主梁主跨轴力平均值明显大于边跨，上弦最大轴力出现在A25～A26节间，下弦最大轴力出现在E16～E17 节间；腹杆最大轴力发生在主墩处下加劲直腹杆位置。

⑵主拱上弦拱顶位置面内正弯矩较大，拱脚位置负弯矩较大；主拱下弦在支座处弯矩显著大于其他位置；主梁在支座位置及拱脚位置弯矩较大；拱脚处腹杆及下加劲腹杆弯矩显著大于其他位置。

由结构内力结果可知，主拱上弦拱顶位置、主拱下弦拱脚位置、主梁与主拱衔接位置、主墩支座位置以及主梁跨中位置内力较大，因此，选取典型杆件A17E16、A17E17、E16E17、S24S25、S25A25、A25G26、A25A26、A25E24、S38S39、S38G39、S39G39、G21G22、G22G2、E22G22、A38E38、E38E39 进行了结构内力验算。各杆件对应位置如图6所示。

图6 杆件验算示意图Fig.6 Schematic Diagram of Member Check

各杆件验算结果表明：在主力作用下各支座位置腹杆应力较大；强度检算受力最不利杆件为MA17ME16/195 MPa，MA25MA26/189 MPa，MG22MG23/201 MPa，ME38ME39/213 MPa；稳定验算最不利杆件为ME16ME17/185 MPa，MA25MG26/187 MPa，MS38MS39/228 MPa，MG22MG23/185 MPa。

3.3 吊杆应力分析

在荷载组合3 工况作用下，中桁各吊杆内力和应力分布如图7所示。在荷载组合3工况作用下，吊杆最大拉力为5 705 kN，最大吊杆力出现在中桁最边侧吊杆位置。吊杆最大拉应力为793 MPa，最大吊杆应力力出现在中桁最边侧吊杆位置，1 670 MPa/793 MPa=2.1。吊杆检算结果表明：

图7 中桁吊杆内力与应力分布Fig.7 Internal Force and Stress Distribution of Middle Truss Boom

⑴恒载作用下，最大吊杆力出现在中桁最边侧吊杆位置，但吊杆最大拉应力出现在中桁1/4处吊杆，最大拉应力377 MPa，安全系数4.45；

⑵主力、主+附作用下，吊杆最大拉应力为518 MPa，最大吊杆应力力出现在中桁1/8和3/8处吊杆，安全系数3.22；

⑶恒载+支座沉降+极限风荷载作用下，吊杆最大拉应力为378 MPa，最大吊杆应力力出现在中桁1/8位置吊杆，安全系数4.4。

4 结论

通过空间有限元模型理论分析，研究了主跨436 m的大跨度中承式钢桁架拱桥各构件在复杂外力作用下的受力特征。研究结果表明：

⑴主桥各跨的挠跨比均满足大于1/800的要求；

⑵杆件强度、稳定、疲劳满足文献［1］要求，中桁杆件内力要大于边桁内力；

⑶吊杆受力满足文献［1］要求，主拱拱顶拱脚、主梁跨中钢桁构件及最边侧部位吊杆受力最为不利，强度安全系数偏低，营运期间应重点关注，定期检查。