提籃式系桿拱橋結(jié)構(gòu)空間受力分析

劉瑤，鄒德強(qiáng)，李偉東

（中國(guó)建筑第五工程局有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

拱橋?qū)⒐芭c梁兩種基本結(jié)構(gòu)形式組合在一起，共同承受荷載，充分發(fā)揮梁受彎、拱受壓的結(jié)構(gòu)性能和組合作用。同時(shí)，拱橋具有很高的美學(xué)特性，在現(xiàn)代橋梁中占有很重要的地位。

提籃拱，通常是將拱肋向橋軸線方向傾斜，甚至在拱頂合攏而形成的一種拱式結(jié)構(gòu)。目前，我國(guó)大多數(shù)拱橋采用平行豎吊桿，拱肋與主梁面內(nèi)垂直，提籃拱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的較少。因此，研究提籃拱的空間受力特征具有十分重要的意義。

本文以某提籃拱橋?yàn)槔?，建立了考慮拱肋-橫撐-吊桿-縱梁-橋面一體化有限元模型，分析主拱、橫撐、吊桿、縱梁、橫梁、橋面等結(jié)構(gòu)受力情況，為今后提籃拱橋設(shè)計(jì)提供參考。

1 有限元模擬建立

選取某50m 跨徑系桿提籃拱橋，拱肋與橋面傾角為75°，主梁采用縱橫梁結(jié)構(gòu)體系，上鋪橋面板厚度為0.15m，拱肋截面尺寸為1.1×1.2m，拱肋之間采用三根橫撐連接，吊桿直徑為0.016m。本文利用Midas Civil 2019 有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算，拱肋、主梁、橋墩采用梁?jiǎn)卧M，橋面板采用板單元模擬，系桿采用桁架單元模擬。

本文建立的有限元空間模型如圖1 所示。

圖1 提籃拱橋有限元模型

2 結(jié)構(gòu)受力分析

2.1 縱、橫梁結(jié)構(gòu)受力

縱梁、橫梁直接承受來(lái)自橋面板傳遞的荷載，在恒載+

活載作用下，結(jié)構(gòu)彎矩包絡(luò)圖如圖2 所示。

圖2 縱（上）、橫梁（下）彎矩包絡(luò)圖（kN·m）

由于吊桿的拉力作用，將原縱梁簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為彈性支點(diǎn)梁，縱梁結(jié)構(gòu)彎矩較為平穩(wěn)，恒載+活載作用下，彎矩最大值為419.4kN·m，最小彎矩為160.8kN·m；除端橫梁外（端橫梁計(jì)算詳見(jiàn)后文），其余橫梁結(jié)構(gòu)彎矩形狀與數(shù)值基本相同，最大彎矩位于車(chē)道荷載下方，數(shù)值為301.2kN·m，最小彎矩位于橫梁端部，數(shù)值為129.0kN·m。

2.2 主拱結(jié)構(gòu)

拱肋是橋梁的主要受力結(jié)構(gòu)，主要承擔(dān)吊桿傳遞的橋梁自重及汽車(chē)活載。主拱結(jié)構(gòu)軸力、彎矩圖如圖3a、圖3b、圖3c 所示。

圖3

由圖3a 可知，拱肋承受較大軸向壓力，最大軸力位于拱腳位置，數(shù)值為3436.2kN（壓力），最小軸力位于跨中位置，數(shù)值為2574.4kN（壓力）。

由圖3b 可知，拱肋最大剪力位于拱腳位置，數(shù)值為206.4kN，設(shè)計(jì)過(guò)程中，建議對(duì)拱腳位置箍筋進(jìn)行加密處理。

由圖3c 可知，拱肋在恒載+活載作用下截面最大正彎矩為506.9kN·m，最大負(fù)彎矩為466.9kN·m，最大值均位于拱腳位置。

由圖3a)、b)、c)可知，拱肋在承受較大的軸力同時(shí)，也承受一定的剪力與彎矩。設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)優(yōu)化調(diào)整矢跨比，盡量減少拱肋偏心受壓對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性造成的不利的影響。

2.3 橫撐結(jié)構(gòu)

橫撐結(jié)構(gòu)將兩側(cè)主拱連接，主要起橫向穩(wěn)定作用。

由圖4 可知，在恒載+活載作用下，跨中位置橫撐軸向拉力最大值為58.1kN，軸力壓力最大值為19.7kN。另兩根橫撐拉力最大值為31.7kN，最大壓力值為158.7 kN。

圖4 恒載+活載作用下軸力包絡(luò)圖

2.4 吊桿

本次吊桿采用僅受拉桁架單元模擬，吊桿在恒載、活載作用下結(jié)構(gòu)受力情況如圖5a、5b 所示。

圖5

恒載作用下，吊桿最大拉應(yīng)力位于1/4 位置，數(shù)值為796.7MPa；最小拉應(yīng)力位于梁端位置，數(shù)值為686.2MPa。

活載作用下，吊桿最大拉應(yīng)力位于1/4 位置，數(shù)值為240.7MPa；最小拉應(yīng)力位于1/2 跨中位置，數(shù)值為170.2MPa。

吊桿在拱橋體系中起到承上啟下的連接作用。本次吊桿采用高強(qiáng)鋼絲制作而成，為了保證橋梁的正常運(yùn)營(yíng)，需要定期對(duì)吊桿檢修與養(yǎng)護(hù)，同時(shí)，設(shè)計(jì)過(guò)程中，也要考慮一定程度的安全系數(shù)富余。

2.5 端橫梁

主拱與主梁剛性連接，端橫梁承受較大彎矩。彎矩圖如圖6 所示。最大彎矩位于橋梁對(duì)稱中心線位置，數(shù)值為501.1kN·m。端橫梁相對(duì)于其他橫梁來(lái)說(shuō)，數(shù)值約為其他橫梁的166.4%，設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)端橫梁進(jìn)行加強(qiáng)處理。

圖6 端橫梁彎矩圖（kN·m）

3 結(jié)語(yǔ)

本文分析了提籃拱系桿拱橋縱橫梁、拱肋、吊桿等結(jié)構(gòu)受力情況，為今后提籃拱設(shè)計(jì)提供一定參考。得到以下主要結(jié)論：

（1）由于吊桿作用，主梁彎矩沿順橋向變化較為平緩，最大值為419.4kN·m。

（2）主拱為拱橋的主要受力結(jié)構(gòu)，承受較大軸向壓力。故設(shè)計(jì)中常采用鋼筋混凝土材料或鋼管混凝土材料。主拱最大軸力位于拱腳位置，數(shù)值為3436.2kN，設(shè)計(jì)中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)拱腳位置的強(qiáng)度計(jì)算。

（3）吊桿主要承受主梁的荷載，最大拉應(yīng)力為796.7MPa。為了保證運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的安全，設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮一定程度安全系數(shù)的富余。

（4）相比橋梁跨中中部橫梁，端部橫梁承受較大彎矩，需進(jìn)行強(qiáng)化設(shè)計(jì)。