基于异形结构的大跨度钢拱桥设计与分析

黄兆亮

摘要 为提高大跨度钢拱桥设计水平，文章以具体桥梁工程为例，结合分析线路条件限制和设计原理，提出（32+140+32）m钢箱钢架拱桥式设计方案，并阐述关键设计要点。经验证，该设计方案具有良好的合理性及安全性，能够达到桥式结构的总体设计和结构稳定性要求，对于提高大跨度钢拱桥设计水平，确保桥梁工程整体质量具有一定的参考价值。

关键词 铁路桥；钢架拱；桥梁设计；稳定分析

中图分类号 U448.22文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）14-0096-03

0 引言

随着拱桥结构形式的发展，我国所建设的钢拱桥的结构体系变得更加复杂，跨度也在逐渐增加。因而，加强对大跨度钢拱桥的动力特性研究以及结构设计分析，不仅能使桥梁设计、建设质量得到保证，同时对大跨度钢拱桥的安全长期使用也有积极意义[1]。

1 工程概况

某拟建大型桥梁所处河道较为顺直，与上游大桥的距离约为80～120 m，考虑现有铁路线路走向因素，沿着与河道中心线呈69°夹角的方向布置擬建桥梁的轴线。该桥梁设计级别为Ⅴ级航道，因此，桥梁通航的净高度要大于6 m，双孔单向通道时保证每个通道宽度大于55 m，单孔双通道时保证通道宽度大于110 m，桥梁上铁路为客运专线，设计时速为200 km，专线之间间距为4.6 m。

2 桥式方案构思

基于所采用桥式布置构思方案，严格遵循桥梁设计原则，综合考虑桥梁行车、受力需求，提出3种科学可行的桥式方案，即（32+140+32）m下承式钢箱钢架拱、（64+140+64）m连续梁拱、140 m简支钢箱系杆拱[2]。

第一种方案：（32+140+32）m下承式钢箱刚架拱，主梁采用3 m高的三室单箱式截面，梁两端的边墩和柱墩均设置支座，拱肋采用钢箱结构，宽度1.2 m、高度3.5 m，主梁与拱肋用吊杆连接，拱肋与桥墩锚固连接。

第二种方案：（64+140+64）m连续梁拱，设置双室单箱截面形式的主梁，主梁中支点高度为7 m、跨梁中部高3.5 m，拱肋高为2.8 m，拱肋为钢管混凝土结构，呈哑铃式[3]。

第三种方案：140 m的简支钢箱系杆拱，钢箱梁、拱肋的宽度均为1.94 m，系梁高度3.5 m，两个拱肋平行布设，均为变截面钢箱结构，拱脚、拱顶处的高度分别为4.5 m、3 m。

兼顾成该经济性、结构稳定性、行车要求及特点等因素，经过对三种方案的综合比选发现，第一种方案更加可行，兼具结构组成方式合理、受力稳定可靠、效率高、成该低等优势。

3 下承式钢箱刚架拱桥结构设计

3.1 结构体系受力特点

结构组成包含主梁、主拱、桥墩、吊杆、系杆、基础，主梁与拱肋用吊杆连接，主梁主墩和两端边墩均有支座，进而起到连接主梁和桥墩的目的。该桥梁结构的纵向受力是按照主梁→吊杆→拱肋的方式，最终将纵向荷载力转变为拱肋的轴向力；横向荷载力是拱肋通过柱墩间的系杆来最终实现平衡的。

3.2 主拱拱肋

主拱拱肋结构采用的是桥梁钢板的截面钢箱，拱轴线为抛物线，拱的矢高与跨径比为0.25，矢高为35 m，拱肋采用钢箱规格参数为1.2 m×3.5 m，拱肋顶部、底板厚度均为3.2 cm，腹板厚度为2.4 cm。另外，考虑到主拱肋横向稳定性标准，选择在钢箱2主拱肋之间等距布置8道“一”字形横向支撑，横向支撑采用的是规格为1.032 m×2.0 m普通碳素的钢箱结构。

3.3 主梁结构

主梁结构为三室单箱形截面，箱体顶部、底部厚度为250 mm，箱壁板厚度为300 mm，边腹板厚度为250 mm。同时在边墩支座中布设1m的横隔梁，在中间桥墩支座上布设2 m横隔梁，并在吊杆上设置一道厚度为300 mm厚的横隔板。鉴于横梁对主梁的预应力束中心距为13 m，需要在每道横梁下布置2道钢绞线，在横梁下缘两端布设2道钢绞线。最后在主梁箱体内浇筑C50混凝土。

3.4 吊杆

吊杆为纵向双吊杆系统，吊点中心间距0.5 m，按此间距共在主桥处设置16对吊杆。吊点中心与孔位之间的距离为8 m，当桥梁正式通车运行后，可以逐步更换吊杆。在吊杆材料的选择上，边吊杆采用LZM7-127钢丝束，次边吊杆采用LZM7-91，其他吊杆采用LZM7-73钢丝束。

3.5 系杆

系杆由37根φ15.7 mm的镀锌涂油钢绞线组成，拱肋上每片设置4根系杆，每根系杆的抗拉强度为1 860 MPa，根据科学计算后，将系杆布设在拱肋下面的人行道护栏外侧，并沿拱脚穿出，最终越过拱肋固定至拱座外侧位置。

4 有限元模型模拟

建模工具采用Midas Civil 2015软件，构建FEA计算分析模型，用于验证试验测算值。吊杆用桁架单元模拟，拱肋和横撑用空间梁单元模拟，对钢箱梁采用自定义截面的方式分别进行模拟，共布设了669个节点、1 014个单元，即：一是在两端拱脚约束所有的自由度；二是桥墩支撑平台底部采用6×6的自由度矩阵进行模拟；三是顺桥方向的主梁为半漂浮体系，根据稳定性要求，做竖向固定处理，横桥向的边墩及主墩支座横向均设置活动支座，用横向弹性限位支座约束横向主墩的横向位移；四是横撑与拱肋间的连接用弹性连接模拟。宜采用带墩分析的力学模拟模型，建模结果如图1。

4.1 应力试验结果及分析

桥梁应力试验采用加载试验的方式，加载物考虑的是T11BK型长钢轨车列车组，基于Midas Civil 2015模拟软件得到的主跨截面、吊杆、系杆及拱脚等参数后，考虑最差加载条件，在此前提下进行模拟分析以确定加载轮位和试验情况。模拟分析中，移动荷载影响线计算采用的是Midas Civil 2015空间有限元模型，从而得出全桥的轴力和弯矩较大的位置，进而来进行加载试验。对比理论应力计算值与实测应力，按照《铁路桥梁检定规范》做进一步分析，确定构件的有关系数，评价桥梁结构工作性能，具体分如下几种情况考虑：

当杆件实测弯曲应力/杆件理论弯曲应力=1时，理论值与实测值一致；

当杆件实测弯曲应力/杆件理论弯曲应力＜1时，表明桥梁结构工作性能状况较好，荷载承受力有一定富余；

当杆件实测弯曲应力/杆件理论弯曲应力＞1时，表明桥梁结构工作性能状况较差，施工设计荷载承受力不足。

以主梁断面、中跨跨中部分断面测点为例，对比分析弯曲应力理论值和实测值，结果如图2～3所示。

通过图2～3所示及上述技术测算，杆件实测弯曲应力/杆件理论弯曲应力的校验系数处在0.8～0.95范围内，而《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/TJ21—2011）中要求的校驗系数范围为0.7～1.05，因此可以得知，在计算模型和验算方式都运用正确的情况下，钢架系杆拱桥的理论计算值和实验值是较为接近的，验算的应变和挠度校验值比公路承载力要求中的系数范围小。截面尺寸、结构跨度、结构类型、测量误差等因素均会影响校验系数，因此还需进行大量的试验和验算，以确保类似结构桥梁的校验结果更加可靠，而前述提及的校验系数仅供参考借鉴，具体还需根据实际工程环境进行调整，不可直接应用。

通过以上分析可知，该桥梁中的钢架系杆拱桥、主梁断面、主梁中跨的荷载力系数处于0.8～0.95范围内，表明桥梁结构强度达到设计要求。

4.2 挠度试验结果及分析

该试验中将挠度值的测试控制位置布设在桥梁主跨的中间部位的挡砟墙上，分别在该处左右位置布设8个监测点，左挡砟墙跨中、右挡砟墙跨中各测点的挠度实测值和理论值，如表1所示。

根据表1可知，挠度值的校验系数为0.8～0.91，对比分析发现，实测值均低于理论值，结构的刚度达标。

4.3 梁体振幅与振动加速度测试结果及分析

根据实测结果可知，边跨跨中的最大纵向振幅为0.14 mm，最大纵向加速度为0.068 m/s2；测试得到的中跨跨中最大纵向振幅为0.339 mm，中跨跨中的最大纵向加速度为0.063 m/s2，如图4～5所示；经过与《公路桥梁结构安全监测系统技术规程》（JT/T1037—2016）的相关规定进行对比分析，得知实测纵向下限振幅均在许可范围内，相比规程要求的纵向下限加速度3.5 m/s2，测试值更低。中跨跨中、边跨跨中的最大横向振幅实测值分别为0.075 mm、0.036 mm，中跨跨中、边跨跨中的最大横向加速度分别为0.663 m/s2和0.486 m/s2，经过对比分析可知，无论横向下限振动还是下限加速度，实际测量结果均小于技术规程的下限值。

5 结论

通过对主桥（32+140+32）m刚架拱桥式结构设计与分析，发现该桥梁结构运营阶段各桥梁结构构件均能达到刚度、强度及稳定性要求，桥梁结构整体质量良好，可满足大跨度钢拱桥设计使用要求。并且，结构设计水平高，有效地组合应用钢箱拱和刚架梁桥，在充分遵循桥梁设计总原则的同时还简化了结构受力，提高了桥梁的跨越能力，控制了梁端转角，并能在保障通航净高的基础上控制建筑高度，具有良好的推广和应用价值。

参考文献

[1]熊礼鹏. 无风撑异形钢箱拱肋系杆拱桥受力分析[J]. 交通科技， 2014（4）： 40-41.

[2]李新平， 陈宜健， 李泽雨. 中承式拱桥的侧倾稳定性研究[J]， 公路， 2010（4）： 41-46.

[3]夏伟杰， 王银辉， 李应根. 大跨径内倾式钢拱桥稳定分析[J]. 华东公路， 2016（6）： 20-21.