拱肋內傾對提籃拱靜力性能的影響

徐紅 覃明林

摘要：以南廣鐵路肇慶西江特大橋為背景，采用Midas/civil軟件分析了四種工況作用下拱肋內傾角變化對結構的靜力特性以及穩定性的影響。綜合分析結構的強度、剛度和穩定性得出400m級大跨度鋼箱提籃拱在拱肋傾角在4.8 °～6 °使結構的綜合性能達到最優。研究結果可為同類型的橋梁設計與施工提供參考。

【關鍵詞】拱肋傾角;靜力特性;穩定性

鋼箱提籃拱橋作為一種新型橋梁結構形式，結構輕，強度大，承載能力高。隨著鋼箱拱橋跨度的不斷增大，一般在設計中采用拱肋內傾的方式增加結構的穩定性。在大跨度鋼箱拱的施工當中，橫向穩定性的控制尤為重要。

1.工程概況

南廣鐵路西江特大橋位于廣東省肇慶市，是鐵路南寧至肇慶東段的控制性工程，大橋全長618.3 m，橋跨布置為（41.2+486+49.1）m，主橋為中承式鋼箱提籃拱橋，矢跨比為1/4，主橋的計算跨徑為450m，拱肋內傾角為4.8 °，橋面距拱頂71.7 m，拱腳處拱肋橫向中心距為34.0m，拱頂處為15.17m，為目前世界上最大跨度的高速鐵路拱橋，主橋兩端設置4個拱座。西江特大橋主橋布置圖如圖1所示。

2.計算模型

本文采用Midas-civil軟件建立三維有限元計算模型，拱肋、橫撐、斜撐均采用空間梁單元模擬，吊桿采用桁架單元模擬，橋面系采用板單元模擬，全橋劃分為60個桁架單元，884個梁單元，301個板單元，共計576個節點，邊界條件模擬為，拱腳固結，主梁端部采用彈性連接。有限元模型圖見圖2。

3.結構分析

為了研究拱肋內傾角變化對橋梁整體結構帶來的影響，本文假設結構的其他參數不變，僅僅改變拱肋傾角，分別取0 °、2 °、3 °、4.8 °、6 °建立5個模型，對這5個模型進行有限元計算、對結構在工況1～4下的靜力性能、穩定性、極限承載力的研究。荷載及其組合為：永久作用包括一期恒載即結構自重，二期恒載為壓力面荷載為21.9KN/m2;列車設計活載為ZK標準活載，按雙線布載;荷載組合為：工況1：恒載、工況2：恒載+活載。

3.1拱肋內傾角對結構靜力性能的影響

研究拱肋傾角的變化對拱肋和主梁的強度和剛度的影響。有限元分析表明，在工況1和2下全橋拱肋和主梁受力均勻，拱肋最大應力發生在拱腳處，最大位移發生在拱頂處，主梁最大應力和最大位移均發生在跨中處。

由表1可以看出在工況1和工況2作用下，拱肋傾角4.8 °時的拱肋最大應力為最小。恒載以及活載對于拱肋的影響最小，結構的強度達到最大。由表2可知，隨著拱肋傾角的增大，拱肋的豎向撓度呈下降趨勢，其中拱肋傾角在6 °時拱肋的豎向撓度達到最小。因而增大拱肋傾角可以提升提籃拱拱肋的整體剛度。

3.2拱肋內傾角對結構穩定性的影響

為了探討拱肋傾角變化對提籃拱的穩定性，本文考慮了工況1和工況2作用下的彈性穩定。表3給出了結構在兩種荷載工況作用下彈性穩定計算結果。圖3～4為工況2作用下結構面外、面內的屈曲模態。

表3拱肋內傾對彈性穩定系數的影響

從表3看出隨著拱肋傾角的不斷增大，面外和面內的屈曲穩定系數逐漸增大。不同拱肋傾角下列車活載對于橋梁結構的屈曲系數的影響在9%～10%左右，對面外穩定性的影響在9%左右，且對面外穩定性的影響大于面內穩定性。拱肋傾角在4.80時活載對于結構面外穩定影響最大達到10.1%，拱肋傾角在0 °～6 °變化時活載對于面內穩定系數的影響較小，均在9%左右。

4.結束語

拱肋傾角在0 °～6 °變化區間內，拱肋傾角在4.8 °時，結構在恒載以及恒載+活載作用下的應力水平最小。結構在拱肋傾角為6 °時拱肋和主梁的豎向位移最小。綜上對于大跨度提籃拱應當在設計以及施工中應當控制拱肋傾角在4.8 °～6 °可以使結構的剛度和強度得到提升。

拱肋內傾角的增加對結構彈性穩定的屈曲模態形式影響較小，對屈曲系數影響較大，列車活載對于面內穩定系數的影響較小。因而綜合結構的強度、剛度和穩定性能得出400m級大跨度鋼箱提籃拱在拱肋傾角在4.80～60使結構的綜合性能達到最優。

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