不同吊桿剛度對(duì)鋼桁架拱橋結(jié)構(gòu)的靜力特性影響研究

陸成克

【摘要：】文章以某鋼桁架拱橋?yàn)檠芯勘尘埃柚鶰idas Civil有限元軟件建立拱橋的實(shí)橋模型，探討吊桿剛度對(duì)鋼桁架拱橋結(jié)構(gòu)靜力特性的影響，得到以下結(jié)論：（1）鋼桁架拱橋主梁結(jié)構(gòu)僅上緣最大壓應(yīng)力隨著吊桿剛度的增大而逐漸增大，其余應(yīng)力以及其主梁變形均隨之逐漸減小，吊桿剛度過(guò)大不能明顯增加主梁應(yīng)力儲(chǔ)備，但能有效抑制主梁結(jié)構(gòu)的下?lián)?（2）拱肋結(jié)構(gòu)僅下弦桿拱腳截面處應(yīng)力受吊桿剛度影響較大，拱肋各關(guān)鍵截面豎向位移均隨著吊桿剛度的增大呈小幅增大趨勢(shì);（3）吊桿拱頂截面處的索力隨著吊桿剛度的增大而逐漸減小，其余吊桿索力逐漸增大，吊桿剛度變化對(duì)拱梁相交處吊桿索力的影響大于跨中處。

【關(guān)鍵詞：】鋼桁架拱橋;吊桿剛度;主梁;拱肋;應(yīng)力;位移

U448.22+4A481603

0 引言

拱橋因造型美觀、堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)在橋梁發(fā)展史上一直占據(jù)著重要地位[1]。鋼桁架拱橋是拱橋中的一種，其具有重量輕、體積小、剛度大、受力性能好的優(yōu)點(diǎn)，因此在大跨度橋梁建設(shè)上尤其是地震烈度較大或風(fēng)速較強(qiáng)的地區(qū)備受歡迎[2-3]。

考慮到吊桿剛度是鋼桁架拱橋設(shè)計(jì)中的主要參數(shù)之一，其對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的受力穩(wěn)定與變形極其重要[4-6]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外橋梁學(xué)者雖在鋼桁架拱橋方面進(jìn)行了不少研究，但在關(guān)于吊桿剛度對(duì)鋼桁架拱橋靜力特性影響方面仍缺乏系統(tǒng)的研究[7-8]。基于此，本文借助Midas Civil有限元分析軟件，以某鋼桁架拱橋?yàn)楸尘敖?shí)橋模型，通過(guò)改變模型內(nèi)吊桿剛度的大小，分別對(duì)不同吊桿剛度情形下的鋼桁架拱橋展開(kāi)靜力特性分析，旨在為鋼桁架拱橋的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 工程背景

本文以某下承式鋼桁架拱橋?yàn)檠芯勘尘埃渲鳂蚩鐝讲贾脼椋?2+106+22）m，橋面寬度為38 m，荷載等級(jí)為城市-A級(jí)，布置雙向六車(chē)道，設(shè)計(jì)車(chē)速為60 km/h。該下承式鋼桁架拱橋的拱軸線上弦桿采用圓弧線與2次拋物線，下弦桿采用2次拋物線，拱頂桁架高度為3.5 m，下拱肋矢高為19.27 m，矢跨比為1/5.5。該拱橋立面布置情況如圖1所示。

2 有限元模型的建立

通過(guò)采用Midas Civil軟件建立鋼桁架拱橋的有限元實(shí)橋數(shù)值模型，在建模過(guò)程中拱橋的主次縱梁、橫梁、桁架拱、風(fēng)撐等構(gòu)件都采用梁?jiǎn)卧M，橋面板、吊索部分則分別采用板單元、桁架單元模擬。實(shí)橋模型一共有1 800個(gè)梁?jiǎn)卧?00個(gè)板單元、40個(gè)桁架單元。實(shí)橋有限元數(shù)值模型如圖2所示。模型在順橋向拱腳處一端設(shè)置固定支座，另一端設(shè)置滑動(dòng)支座。計(jì)算荷載為恒載（自重、二期恒載）、活載（城-A荷載、人群荷載）、支座不均勻沉降、風(fēng)荷載和溫度荷載等。

3 吊桿剛度對(duì)鋼桁架拱橋結(jié)構(gòu)靜力特性的影響

吊桿作為鋼桁架拱橋的主要受力構(gòu)件，其剛度的大小影響著整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。考慮到拱橋構(gòu)件剛度主要由材料的彈性模量E決定，本文結(jié)合單一變量原則，將吊桿彈性模量E視為控制變量，模擬了四種吊桿剛度分別為0.5 EI、EI、1.5 EI、2 EI，探討不同吊桿剛度EI對(duì)鋼桁架拱橋靜力特性的影響。

3.1 吊桿剛度對(duì)主梁應(yīng)力、變形的影響分析

通過(guò)對(duì)不同吊桿剛度情形下的主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，分別得到承載能力極限狀態(tài)下的主梁上、下緣最大應(yīng)力和正常使用極限狀態(tài)下的主梁豎向位移試驗(yàn)結(jié)果，如表1和表2所示。

由表1、表2和有限元計(jì)算結(jié)果可知，主梁上、下緣的最大拉應(yīng)力分別出現(xiàn)于下弦桿拱腳處和主梁跨中處，最大壓應(yīng)力分別出現(xiàn)于邊跨跨中處與下弦桿拱腳處。當(dāng)?shù)鯒U剛度增大，主梁結(jié)構(gòu)僅上緣最大壓應(yīng)力略微增大，而主梁結(jié)構(gòu)的其他應(yīng)力則均隨之減小，原因是上緣最大壓應(yīng)力出現(xiàn)于邊跨處;主梁應(yīng)力在吊桿剛度達(dá)到EI后的變幅均不明顯，說(shuō)明剛度過(guò)大并不能有效增加主梁應(yīng)力儲(chǔ)備。主梁最大豎向位移值出現(xiàn)于跨中截面處，隨著吊桿剛度的增大，主梁豎向位移值逐漸減小，說(shuō)明吊桿剛度增大能夠有效抑制主梁結(jié)構(gòu)的下?lián)稀?/p>

3.2 吊桿剛度對(duì)拱肋應(yīng)力、變形的影響分析

通過(guò)對(duì)不同吊桿剛度情形下的拱肋結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力特性分析，分別得到承載能力極限狀態(tài)下的拱肋各關(guān)鍵截面的最大應(yīng)力和正常使用極限狀態(tài)下的拱肋豎向位移試驗(yàn)結(jié)果，如表3、表4所示。由于拱肋沿縱向與橫向均為軸對(duì)稱，本文僅選取拱肋右側(cè)為研究對(duì)象。

根據(jù)表3、表4與有限元計(jì)算結(jié)果可知，隨著吊桿剛度的增大，拱肋上弦桿拱腳截面、1/4截面、3/8截面的應(yīng)力逐漸增大，1/8截面的應(yīng)力逐漸減小，而1/2截面的應(yīng)力呈先增大后減小趨勢(shì);拱肋下弦桿1/8截面、1/4截面、3/8截面、1/2截面的應(yīng)力均隨著吊桿剛度的增大逐漸增大，僅拱腳截面應(yīng)力隨之逐漸減小;吊桿剛度變化對(duì)拱肋下弦桿拱腳截面的應(yīng)力產(chǎn)生了較大影響，但其余各關(guān)鍵截面的影響不明顯。拱肋的最大豎向位移出現(xiàn)于上弦桿拱頂截面處，隨著吊桿剛度的增大，拱肋各關(guān)鍵截面豎向位移均逐漸增大，但增量均沒(méi)有>0.4 cm，說(shuō)明吊桿剛度對(duì)拱肋豎向位移的影響可以忽略。

3.3 吊桿剛度對(duì)吊桿索力的影響分析

考慮到吊桿沿縱向與橫向均為軸對(duì)稱，本文選取其中的D1～D8吊桿為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)不同吊桿剛度情形下的吊桿結(jié)構(gòu)展開(kāi)靜力分析，得到吊桿結(jié)構(gòu)的索力變化結(jié)果如表5所示。

由表5可知，D1～D7吊桿的索力隨著吊桿剛度的增大逐漸增大，而拱頂截面處的D8吊桿索力則隨之逐漸減小。其中D1～D4吊桿的索力變化幅度較大，D5～D8吊桿的索力變化幅度較小，說(shuō)明吊桿剛度變化對(duì)拱梁相交處附近的吊桿索力產(chǎn)生了較大的影響，而跨中處附近的吊桿索力受其影響較小。

4 結(jié)語(yǔ)

本文依托某鋼桁架拱橋?yàn)檠芯勘尘埃ㄟ^(guò)采用有限元軟件建立實(shí)橋模型，探討了不同吊桿剛度對(duì)鋼桁架拱橋結(jié)構(gòu)靜力特性的影響，主要得到以下結(jié)論：

（1）主梁上緣、下緣的最大拉應(yīng)力和下緣最大壓應(yīng)力均隨著吊桿剛度的增大逐漸減小，主梁上緣最大壓應(yīng)力則隨之略微增大;吊桿剛度過(guò)大不能有效增加主梁應(yīng)力儲(chǔ)備;主梁豎向位移隨著吊桿剛度的增大逐漸減小，吊桿剛度增大能有效抑制主梁結(jié)構(gòu)的下?lián)稀?/p>

（2）吊桿剛度變化對(duì)拱肋下弦桿拱腳截面的應(yīng)力產(chǎn)生了較大影響，但其余各關(guān)鍵截面的影響不明顯;隨著吊桿剛度的增大，拱肋各關(guān)鍵截面豎向位移均呈小幅增大趨勢(shì)，吊桿剛度變化對(duì)拱肋豎向位移的影響可忽略不計(jì)。

（3）隨著吊桿剛度的增大，吊桿僅拱頂截面處的索力逐漸減小，其余吊桿索力隨之逐漸增大，吊桿剛度變化對(duì)拱梁相交處附近的吊桿索力產(chǎn)生了較大的影響，而對(duì)跨中處附近影響則較小。

參考文獻(xiàn)：

[1]孔丹丹，于曉坤，郝向煒，等.桿件局部失穩(wěn)對(duì)鋼桁架拱橋整體穩(wěn)定性的影響[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，202 49（7）：116-121.

[2]張大鵬.中承式鋼桁架系桿拱橋設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)研究[J].施工技術(shù)，202 50（11）：46-50.

[3]余 浩，阮 杰.縱向預(yù)應(yīng)力對(duì)下承式組合橋面系鋼桁架拱橋受力性能的影響研究[J].城市道橋與防洪，2020（9）：175-178，22.

[4]葛 亮，王人鵬.鋼系桿拱橋的參數(shù)研究和設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].現(xiàn)代交通技術(shù)，2017，14（3）：27-29.

[5]稅 靜.大跨度鋼桁架拱橋結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析[D].成都：西南交通大學(xué)，2017.

[6]鐘新谷，曾慶元.吊桿剛度對(duì)系桿拱橋極限承載力的影響分析[J].湘潭礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1999（4）：73-78.

[7]姜 敏.鋼桁架拱橋施工階段風(fēng)荷載計(jì)算及穩(wěn)定性分析[J].黑龍江交通科技，202 44（3）：90-92.

[8]曾 迪，劉 斌.矢跨比對(duì)中承式鋼桁架拱橋靜力影響分析[J].湖南交通科技，2018，44（1）：112-114.D0C31A19-D000-41E3-9649-5D38EA5FA5BE