下承式钢箱系杆拱桥拱肋参数影响分析

摘要：为研究下承式钢箱系杆拱桥拱肋受力与变形受不同参数的影响，文章以某下承式钢箱系杆拱桥为背景工程，通过有限元计算，对拱肋的拱轴线型、矢跨比、拱肋高度、拱肋板厚四个参数进行了影响分析，得到了拱肋受力与变形受不同参数的影响规律，可为类似工程拱肋方案的确定提供参考。

关键词：下承式；系杆拱桥；拱轴线型；矢跨比；影响分析

0引言

下承式系杆拱桥为20世纪初兴起的一种桥型，为梁拱组合类桥梁，一般由系杆、桥面系、吊索、拱肋等组成，上部结构整体呈简支结构体系。与混凝土梁桥相比，其跨越能力大、建筑高度小、景观效果佳，且非常适合在地质条件不佳的地方建设，因此在城市桥梁建设中，得到建设者的偏爱［1-2］。

下承式钢箱系杆拱桥拱肋为钢结构箱型，桥面系一般采用钢格子梁叠合混凝土桥面板，通过吊索连接桥面系与拱肋，拱脚水平力则通过张拉系杆进行平衡，受力复杂，方案设计难度相对较大，而整座钢箱系杆拱桥方案设计中拱肋方案确定难度相对最大，需要进行多方案的比选分析。因此，为能在拱肋方案确定中有一定的参考和依据，有必要对影响拱肋受力与变形的主要参数进行影响分析，找出这些参数之间的内在联系，快速确定出合理的拱肋方案［3-6］。

本文在借鉴以往研究的基础上，以某下承式钢箱系杆拱桥为背景工程，选取拱轴线型、矢跨比、拱肋高度、拱肋板厚4个影响拱肋受力与变形的关键参数，通过有限元结构计算，分析不同参数下拱肋受力与变形的大小及变化规律，为类似工程拱肋方案确定提供参考与借鉴。

1 工程背景简介及原始模型的建立

1.1 工程背景简介

背景工程桥跨布置为2×30 m+150 m+2×30 m。为满足通航及兼顾美观要求，主桥采用了跨径为150 m的下承式钢箱系杆拱桥，计算跨径为146 m，矢跨比为1/5.0，纵桥向共布设15对1 860 MPa高强钢丝吊索，间距为9 m。主桥立面布置如图1所示。

钢箱拱肋原方案拱轴线为抛物线，采用等截面箱型，高2.3 m，宽1.8 m，标准横断面如图2所示。

1.2 原始有限元模型的建立

为进一步研究下承式钢箱系杆拱桥拱肋受力与变形受拱肋不同参数的影响大小，本文在背景工程的基础上，选取拱轴线型、矢跨比、拱肋高度、拱肋板厚4个影响拱肋受力与变形的关键参数，采用Midas Civil软件建立主桥模型，通过有限元结构计算，分析不同参数下拱肋受力与变形的大小及变化规律。其有限元模型如图3所示。全桥共计节点426个，单元402个。

2 拱轴线型对拱肋的影响分析

拱轴线型是拱肋方案确定中最为主要的参数，其直接影响拱肋的受力与变形，常用的拱轴线型有圆弧线、抛物线、悬链线3种。

下文以背景工程为基础，选取6组不同类型的拱轴线型（m为悬链线拱轴系数），分析恒载作用下钢箱系杆拱桥拱肋受力与变形受拱轴线型的影响情况。

2.1 拱轴线型对拱肋应力的影响分析

经有限元分析计算，6组不同类型拱轴线型下拱肋关键截面应力影响结果如表1所示。

由表1分析可知，圆弧线拱肋截面整体应力偏大，且上下缘应力差最大，截面受力不均匀；抛物线型拱肋截面整体应力较小，上下缘应力差相对最小，拱肋受力较为均匀；拱轴系数较小的悬链线拱肋截面上下缘应力差也相对较小，且随着拱轴系数的增大上下缘应力差也逐渐增大。因此，对于恒载分布较为均匀的下承式钢箱系杆拱桥的合理拱轴线可以选择抛物线或拱轴系数较小的悬链线。

2.2 拱轴线型对拱肋位移的影响分析

经有限元分析计算，6组不同类型拱轴线型对拱肋位移的影响结果如图4所示。

由图4分析可知，拱肋位移最大值均发生在跨中，且整体上表现为：圆弧线拱>悬链线>抛物线。其中，圆弧线跨中最大位移达到88 mm，差不多为抛物线拱的3倍；悬链线拱位移随拱轴系数的增大而增大，但整体比圆弧线拱小。因此，从位移角度出发，抛物线拱变形相对最小，拱轴线型更优。

综合以上6组不同类型拱轴线型下的拱肋受力与变形分析可知，对于恒载分布较为均匀的下承式钢箱系杆拱桥的合理拱轴线可以选择拱肋受力与变形相对更小，截面应力更为均匀的抛物线（也可考虑拱轴系数较小的悬链线）。背景工程拱肋拱轴线为抛物线，与本节分析所得结论较为吻合。

3 矢跨比对拱肋的影响分析

矢跨比是影响拱肋受力与变形的另一个主要因素，是拱桥的一个特征数据，不但影响拱圈的受力，也关系到拱桥的景观外形。下文以背景工程为基础，选取5组不同矢跨比拱肋，分析恒載作用下钢箱系杆拱桥拱肋受力与变形受矢跨比的影响情况。

3.1 矢跨比对拱肋应力的影响分析

经有限元分析计算，5组不同矢跨比对拱肋关键截面应力的影响结果如下页表2所示。

由表2分析可知，除拱脚截面上缘外，其他截面上下缘应力均随矢跨比减小而增大，且变化幅度相对较大，可见拱肋截面应力与矢跨比呈正相关。

3.2 矢跨比对拱肋位移的影响分析

经有限元分析计算，5组不同矢跨比对拱肋位移的影响结果如图5所示。

由图5分析可知，拱肋位移最大值基本发生在跨中（矢跨比为1/4时，最大位移发生在1/4截面处），且拱肋位移均随矢跨比减小而增大。当矢跨比为1/4时，拱肋最大位移为17 mm，当矢跨比为1/8时，拱肋最大位移为118 mm，矢跨比相差1倍，最大位移则相差近6倍。由此可见，矢跨比对拱肋位移的影响非常大。

综合以上5组不同矢跨比下的拱肋受力与变形分析可知，矢跨比对拱肋的受力与变形的影响均非常大，矢跨比越大对结构受力与变形越有利，但矢跨比过大，拱肋安装则较为困难，且景观效果不佳。因此，实际方案确定中不一定需要选择过大的矢跨比，宜从结构受力、施工、景观等角度综合考虑，选择合适的矢跨比。

4 拱肋高度对拱肋的影响分析

拱肋高度也是影响拱肋受力与变形的一个重要因素。下文以背景工程为基础，同样选取5组不同高度拱肋，分析恒载作用下钢箱系杆拱桥拱肋受力与变形受拱肋高度的影响情况。

4.1 拱肋高度对拱肋应力的影响分析

经有限元分析计算，5组不同拱肋高度对拱肋关键截面应力的影响结果如表3所示。

由表3分析可知，拱肋应力随拱肋高度增大而减小，几乎呈线性变化，且各截面应力影响程度均差不多，但整体影响值相对不大。由此可见，拱肋高度对拱肋应力影响相对较小。

4.2 拱肋高度對拱肋位移的影响分析

经有限元分析计算，5组不同拱肋高度对拱肋位移的影响结果如图6所示。

由图6分析可知，拱肋位移随拱肋高度增大而减小，且对跨中影响最大，但整体影响相对较小。由此可见，拱肋高度对拱肋位移的影响相对较小。

综合以上5组不同拱肋高度下的拱肋受力与变形分析可知，拱肋高度对拱肋受力与变形的影响相对较小，实际方案确定中选择合适的拱肋高度即可。

5 拱肋板厚对拱肋的影响分析

拱肋板厚主要指顶、底板及腹板厚度，一般厚度一致，其也是影响拱肋受力与变形的一个非常重要的因素。下文以背景工程为基础，同样选取5组不同板厚拱肋，分析恒载作用下钢箱系杆拱桥拱肋受力与变形受拱肋板厚的影响情况。

5.1 拱肋板厚对拱肋应力的影响分析

经有限元分析计算，5组不同拱肋板厚对拱肋关键截面应力的影响结果如表4所示。

由表4分析可知，拱肋应力随拱肋板厚增大而减小，呈指数变化，且变化幅度相对较大。可见，板厚对拱肋受力的影响非常大，且对拱脚上下缘应力的影响相对最大。

5.2 拱肋板厚对拱肋位移的影响分析

经有限元分析计算，5组不同拱肋板厚对拱肋位移的影响结果如图7所示。

由图7分析可知，拱肋位移随拱肋板厚增大而减小，且对跨中影响最大，当拱肋厚度由10 mm变化至50 mm时，拱肋跨中最大位移变化值近一倍。由此可见，板厚对拱肋变形的影响也非常大。

综合以上5组不同板厚下的拱肋受力与变形分析可知，拱肋板厚对拱肋的受力与变形影响均非常大，拱肋板越厚对结构受力与变形越有利，但过厚的拱肋（板厚≥40 mm时），需要考虑其厚度方向性能，且整体制造、焊接与安装均较为困难。因此，实际方案确定中可以从结构受力角度出发选择较厚的拱肋，但建议板厚宜≤40 mm。

6 结语

本文以背景工程为研究对象，分析了下承式钢箱系杆拱桥拱肋的拱轴线型、矢跨比、拱肋高度、拱肋板厚对其拱肋应力与变形的影响大小，得到主要结论如下：

（1）下承式钢箱系杆拱桥拱肋可以选择抛物线或拱轴系数较小的悬链线作为其合理拱轴线。

（2）矢跨比对下承式钢箱系杆拱桥拱肋的受力与变形影响较大，实际方案确定中宜从结构受力、施工、景观等角度综合考虑，合理选取。

（3）拱肋高度对下承式钢箱系杆拱桥拱肋受力与变形影响相对较小，实际方案确定中选择合适的拱肋高度即可。

（4）拱肋板厚对下承式钢箱系杆拱桥拱肋的受力与变形影响相对较大，实际方案确定中可以从结构受力角度出发选择较厚的拱肋，但板厚宜≤40 mm。

参考文献：

［1］曾有凤.钢管混凝土拱桥拱轴线参数敏感性分析［J］.西部交通科技，2021（5）：109-111，150.

［2］王云鹏，刘坤鹏，徐 军，等.山区大跨度网状吊杆系杆拱桥方案确定及关键参数影响分析［J］.公路，2021（3）：124-127.

［3］于训涛.某大跨度系杆拱桥的参数分析［J］.城市道桥与防洪，2021（3）：52-54，71，12.

［4］邓小康，谢肖礼，徐恭义.等截面空腹式拱桥恒载压力线的参数方程解析解及其运用［J］.中外公路，2018，38（3）：147-152.

［5］谢海清，徐 勇，陈 列，等.沪昆高铁北盘江特大桥主拱结构形式及参数比选［J］.桥梁建设，2019，49（2）：97-102.

［6］龙 汉，刘 剑.钢管混凝土系杆拱桥静力参数敏感性分析［J］.铁道科学与工程学报，2019，16（2）：419-425.

作者简介：吴开源（1989—），工程师，主要从事投资管理、工程项目经营策划和施工技术管理工作。