大跨無推力剛性系桿剛性組合拱橋分析建模方法及受力性能分析

（重慶交通大學土木工程學院 400074）

大跨無推力剛性系桿剛性組合拱橋分析建模方法及受力性能分析

唐旖旎

（重慶交通大學土木工程學院 400074）

為探索大跨無推力剛性系桿剛性組合拱橋的受力特性，本文以某鋼箱—混凝土組合系桿拱橋為研究對象，采用MIDAS/CIVIL有限元軟件對該橋進行建模和計算，分析該橋的結構特性及其受力性能。在建模時考慮單元選取、邊界條件、構件連接方式、荷載處理方式。分析得出該橋的穩定性及內力，為這一類拱橋的建模方式提供理論依據。

大跨；無推力拱橋；剛性系桿剛性拱；有限元建模方法

引言：三跨式鋼箱拱橋是一種極具有特色的橋型, 將剛構與拱兩種基本結構形式組合起來，組合體系拱橋可劃分為有推力拱和無推力拱兩種類型。其中無推力的拱式組合體系受力特點是：主梁恒載及活載由吊桿傳遞給拱圈, 再由拱圈傳遞給橋墩,再由橋墩傳遞到基礎，減小了主梁承受的彎矩，減小了主梁截面高度; 水平方向拱圈受力后將水平力傳給橋墩，邊拱的水平力傳給主梁。該組合體系拱橋把主要承受壓力的拱肋和主要承受彎矩的主縱梁結合起來共同承受橋面荷載和水平推力，充分發揮被組合的簡單體系的結構特性及組合作用，具有拱橋的較大跨越能力以及簡支梁橋對地基適應能力強的兩大特點，保證較大的橋下凈空且造型美觀，是一種較優越的橋型，廣泛應用于城市橋梁的建設中。

1 橋梁工程概況及結構特點

1.1橋梁工程概況

本文依據的橋型為80m+150m+80m三跨連續的下承式鋼箱拱橋，橋寬 60m，拱軸線采用懸鏈線，矢跨比：主跨 1/4.29、邊跨 1/3.64。橫橋向設置 3 片豎向垂直拱肋，橫向兩片拱肋的間距均為24m。主拱肋和副拱肋均采用等截面鋼箱，吊桿采用縱向雙吊桿。主拱拱肋設置風撐 5×2 共10道，各橫撐均為鋼箱截面，副拱拱肋不設風撐。主縱梁截面形式為鋼箱，次縱梁截面形式為工字鋼，支撐橫梁截面為變截面鋼箱，普通橫梁截面為變截面工字鋼。主縱梁、次縱梁、支點橫梁及普通橫梁形成格子梁截面，格子梁上再設置鋼板—混凝土組合橋面板。

1.2橋梁的結構特點

該橋的主縱梁和拱肋均為箱形截面，其截面的數據由表格1可知，構件的長細比可由公式：λ=μl/i得出。從表格數據可以看出，主縱梁和拱肋的截面慣性矩都比較大，長細比滿足允許長細比且數值較小，為一個剛性系桿剛性拱橋，在承受拉力的同時亦能承受壓力。

表1 桿件長細比單位：m

對于大跨徑橋梁，系桿拉力的增量會產生很大的變形，而無推力拱橋的設計使拱、系桿和墩結合在一起共同受力，根據位移變形協調條件，拱的水平推力的增量主要由橋墩和拱自身承受，系桿的作用是對拱施加預應力以抵消拱的大部分水平推力，無推力拱降低了對下部結構和基礎的要求，是拱橋的應用范圍從山區擴大到了平原和城市。

2 空間有限元建模方法

2.1單元選取

通過MIDAS/CIVIL軟件建立一個三跨的下承式鋼箱—混凝土組合拱橋，該橋上部結構由橋面系、拱肋、吊桿及風撐 4 部分組成，橫橋向設 3 片豎向垂直拱肋，橋面系包括3道主縱梁、4道次縱梁、支點橫梁、普通橫梁及組合橋面板。拱肋、主縱梁、次縱梁、支點橫梁、普通橫梁、吊桿及橫撐均采用梁單元，橋面板采用板單元。

2.2邊界條件

對于無推力拱橋，拱肋水平荷載直接傳遞給系桿，系桿能約束水平推力，剛性系桿剛性拱無推力拱橋的支座采用橡膠支座 , 可以模擬成一般鉸支座約束，具體的邊界條件布置如圖2。

圖2 支座布置圖

2.3聯結方式

為了使結構共同受力，縱梁與橫梁之間在相交處共節點，吊桿兩端分別與拱肋和主縱梁相連并共節點，拱肋與主縱梁相連在交點處共節點，橋面板與下部的縱橫梁之前使用彈性連接里的剛性連接。

2.4荷載處理方式

為了減少模型量及計算量，對模型做如下簡化：（1）將拱肋、縱橫梁、吊桿及風撐上的橫隔板、拼接板及栓釘的重量等效為均布荷載或集中荷載施加在相應的構件位置上；（2）不計橋面板的自重，將整個橋面板的重量等效為均布荷載施加在橫梁上；（3）因為橋面鋪裝產生的荷載由縱橫梁承受，而不是由橋面板承受，所以將橋面鋪裝的重量都等效為壓力荷載作用在橋面板上，且不考慮其剛度。

3 計算模型的建立和結果分析

3.1主縱梁受力

各荷載工況包絡圖下：主縱梁最大負應力出現在拱腳支座處為-25.7MPa，最大正應力出現在支座邊上為30.6MPa；全橋最大正彎矩出現在主縱梁端為2249.2 KN·m，最大負彎矩出現在主拱拱腳處的支座邊為-4604 KN·m。

3.2主拱圈受力

在各荷載工況包絡圖下：主拱圈最大負應力出現在主拱跨中為-189.7MPa，最大正應力出現在主拱拱腳處的主縱梁上為182.3MPa；全橋最大正彎矩出現在主拱跨中為6603.7 KN·m，最大負彎矩出現在主拱拱腳處的主縱梁上為-29136.3 KN·m。全橋最大變形出現在拱圈上近1/4點處，其次出現在主跨跨中，最大位移為284.037mm。

4 結論

本文以某鋼箱—混凝土組合系桿拱橋為背景，介紹了其為無推力及剛性系桿剛性拱橋的這兩個特點，并闡述了該橋的建模方式，運用MIDAS/CIVIL有限元軟件進行了受力分析，對該橋的最不利荷載組合工況做了受力分析，從數據可以看出其應力、彎矩及變形都在合理范圍內，為以后類似的橋梁建設提供可靠的依據。

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