橫撐對鋼箱系桿拱橋穩定性的影響分析

萬德富　黃介位

摘要：文章以某大跨鋼箱系桿拱橋為背景工程，建立全橋整體有限元模型，對比分析了不同橫撐個數、橫撐剛度及橫撐形式對結構整體穩定性的影響。研究結果表明：鋼箱系桿拱橋穩定系數隨橫撐個數及橫撐剛度增大而增大，呈指數增大到一定值后趨于平穩；橫撐形式對鋼箱系桿拱橋穩定性的影響由高到低依次為米字撐、K字撐、I字撐；實際橫撐設置應從安全與經濟角度出發進行合理設置。

關鍵詞：系桿拱橋；鋼箱；橫撐；穩定性；影響分析

0引言

梁橋一般以受彎為主，拱橋一般以受壓為主。系桿拱橋作為一種梁拱組合的新型橋梁，大大減少了拱腳處的水平推力，綜合發揮了梁受彎、拱受壓的優勢，提高了結構整體受力性能，在一些地質條件較差但又需要修建大跨徑拱橋的地方非常受歡迎。

然而，對于系桿拱橋來說，作為主要受壓承重構件的主拱，其穩定性不容小覷，尤其是其橫向穩定性［1-3］。此外，主梁雖主要以受彎為主，但拱腳處巨大的系桿壓力，使主梁受壓邊緣的壓應力非常大，其受壓橫向穩定性也不容忽視。不少研究表明［4-7］，對于大跨徑系桿拱橋，只有設置橫撐才能大大地提高橋梁結構的橫向穩定性，確保橋梁安全。因此，為提高系桿拱橋橫向穩定性，橫撐設置不可缺少。然而，不同數量、不同截面（剛度不同）、不同形式的橫撐對系桿拱橋穩定性影響大小也不相同，有必要對不同橫撐設置情況下的系桿拱橋穩定性進行單獨分析。

本文在以往研究的基礎上，以某大跨鋼箱系桿拱橋為背景工程，建立全橋整體有限元模型，對比分析不同橫撐個數、橫撐剛度及橫撐形式對結構穩定性的影響大小，為同類橋梁在橫撐設置上提供一定的參考借鑒。

1 工程背景簡介及原始模型的建立

1.1 工程背景簡介

背景工程為城市某3×30 m+145 m+3×30 m跨河橋梁。受地形、地質及橋下凈空限制，該橋引橋采用常規預制小箱梁，橋寬12 m；主橋采用下承式鋼箱系桿拱橋，全寬16 m，跨徑為145 m（計算跨徑為140 m），矢跨比為1/5.0，拱軸線采用拋物線，其橋梁立面布置如圖1所示。

全橋拱肋、橫撐、系桿、縱橫梁均采用Q355鋼材，橋面板采用混凝土預制板；吊索采用1 860 MPa級別的索體用環氧噴涂PE護套鋼絞線，全橋共15對，順橋向間距為9.0 m。橫撐采用高×寬為1 m×1.5 m的鋼箱截面，全橋等間距共設置7道I字橫撐。頂、底板及腹板厚16 mm，箱內采用140 mm×12 mm加勁肋。其橫撐標準橫斷面如圖2所示。

1.2 原始有限元模型的建立

為對比分析不同橫撐個數、橫撐剛度及橫撐形式對本項目鋼箱系桿拱橋穩定性的影響規律，本文采用Midas Civil軟件建立主橋有限元模型，除吊索采用桁架單元模擬外，其它構件均采用梁單元模擬。此外，由于整座主橋簡支落于主墩之上，因此按簡支結構對主橋進行邊界模擬。共計418個節點、412個單元。主橋有限元模型如圖3所示。

2 橫撐個數對鋼箱系桿拱橋穩定性的影響分析

背景工程一共設置7道I字橫撐，全橋共15對吊索。因此，下文以背景工程為研究對象，選取8組不同橫撐個數組合，分析鋼箱系桿拱橋穩定性受橫撐個數的影響規律。

經有限元計算，鋼箱系桿拱橋在不同橫撐個數下的穩定系數計算結果如表1和圖4所示。

由表1、圖4分析可知，隨著橫撐個數的不斷增加，鋼箱系桿拱橋穩定系數逐漸增大，幾乎呈指數變化，且增大到一定程度后趨于平穩。由此可見，橫撐個數是影響鋼箱系桿拱橋穩定性的關鍵因素。在實際橫撐設置時，可考慮增加一定數量橫撐來提高鋼箱系桿拱橋穩定性。

此外，由表1、圖4分析可知，拱肋處于裸拱及橫撐個數較少時，全橋穩定系數＜4，即不滿足規范要求。因此，在拱肋處于裸拱或橫撐剛開始施工階段，應加強拱肋橫向臨時連接，增加其橫向穩定性，保證施工安全。

3 橫撐剛度對鋼箱系桿拱橋穩定性的影響分析

經理論分析，鋼箱系桿拱橋發生橫向屈曲主要是由于其橫向變形過大導致，而其變形大小與橫撐剛度直接相關。因此，下文以背景工程為研究基礎，選取9組與原橫撐剛度成倍數關系的橫撐，分析鋼箱系桿拱橋穩定性受橫撐剛度的影響規律。

經有限元計算，鋼箱系桿拱橋在不同橫撐剛度下的穩定系數計算結果如表2和圖5所示。

由表2、圖5分析可知，隨著鋼箱系桿拱橋橫撐剛度的逐漸增大，其穩定系數也隨之逐漸增大，且增大速率由快變緩，呈指數變化，增大到一定程度后趨于平穩。以本橋為例，當鋼箱系桿拱橋橫撐剛度增大至原來的2.5倍左右時，穩定系數穩定在9.0左右。可見，橫撐剛度也是影響鋼箱系桿拱橋穩定性的重要因素。

由材料力學性能分析可知，鋼箱系桿拱橋橫撐剛度主要由其截面尺寸所決定，截面尺寸越大，橫撐剛度越大。因此，從經濟角度出發，不建議選取較大斷面橫撐，適宜即可，尤其當橋面較寬時，較大斷面橫撐對其自身受力與變形也較為不利。

此外，從施工安全角度出發，較大斷面的橫撐對施工也相對不利，施工風險更高。

4 橫撐形式對鋼箱系桿拱橋穩定性的影響分析

經統計，鋼箱系桿拱橋橫撐形式主要有I字撐、K字撐、米字撐3種，一般獨立或相互搭配設置。

為研究K字撐對鋼箱系桿拱橋穩定性的影響規律，下文以背景工程為研究基礎，選取4組I字撐與K字撐的不同搭配組合，分析鋼箱系桿拱橋穩定性受K字撐影響規律，典型K字撐設置如圖6所示。

經有限元計算，鋼箱系桿拱橋在不同K字撐個數下的穩定系數計算結果如表3和圖7所示。

為研究米字撐對鋼箱系桿拱橋穩定性的影響大小，下文以背景工程為研究基礎，選取3組米字撐與K字撐的不同搭配組合，分析鋼箱系桿拱橋穩定性受米字撐影響規律。典型米字撐設置如圖8所示。

經有限元計算，鋼箱系桿拱橋在不同米字撐個數下的穩定系數計算結果如表4和圖9所示。

由表3、圖7分析可知，不同I字撐與K字撐搭配組合下，鋼箱系桿拱橋穩定系數隨K字撐數量增加而增大，且增大速率逐漸增加，呈指數變化，由此可見，K字撐對鋼箱系桿拱橋穩定性的影響大于I字撐，K字撐優于I字撐。

由表4、圖9分析可知，不同K字撐與米字撐搭配組合下，鋼箱系桿拱橋穩定系數隨米字撐數量增加而增大，但增大速率逐漸減小。由此可見，米字撐對鋼箱系桿拱橋穩定性的影響大于K字撐，米字撐優于K字撐。

綜合以上分析可知，不同橫撐形式對鋼箱系桿拱橋穩定性的影響由高到低依次為米字撐、K字撐、I字撐。

5 結語

本文以背景工程為研究基礎，對比分析了不同橫撐個數、橫撐剛度及橫撐形式對結構穩定性的影響大小，得出主要結論如下：

（1）鋼箱系桿拱橋穩定性與橫撐個數呈正相關關系，設計中可增加一定橫撐數量提高結構穩定性，施工中應加強拱肋橫向臨時連接，增加結構橫向穩定性，保證施工安全。

（2）鋼箱系桿拱橋穩定系數隨橫撐剛度增大而增大，且增大速率由快變緩，呈指數變化，從安全與經濟角度出發，不建議選取較大斷面的橫撐。

（3）鋼箱系桿拱橋穩定性受橫撐形式的影響由高到低依次為米字撐、K字撐、I字撐。

（4）實際橫撐設置應從安全與經濟角度出發進行合理設置。

參考文獻：

［1］柴生波，楊清華，王秀蘭，等.大跨徑中承式鋼箱系桿拱橋施工階段穩定性分析［J］.交通科學與工程，2022，22（18）：8 095-8 102.

［2］龔萬江，常 海，劉朝福.下承式鋼管混凝土系桿拱橋穩定性研究［J］.西部交通科技，2013（3）：215-217.

［3］關 偉.185 m下承式懸鏈線鋼管混凝土拱橋空間穩定性參數敏感性分析［J］.石家莊鐵道大學學報（自然科學版），2020，33（1）：14-19.

［4］鄒 圻，范 翊.橫撐對鋼管混凝土拱橋穩定性能的影響［J］.四川建筑，2021，41（3）：160-162，166.

［5］王 達，姚型龍，嚴偉飛，等.中承式提籃拱橋拱肋最優內傾角取值影響分析［J］.交通科學與工程，2022，38（4）：60-64，71.

［6］潘金發.某鋼管混凝土拱橋橫撐銹蝕對穩定性的影響分析及加固效果評價［J］.福建交通科技，2022（9）：76-81.

［7］楊順澤.橫撐布置對三拱肋下承式系桿拱橋穩定性的影響［J］.中國水運，2022（11）：151-153.

作者簡介：萬德富（1987—），工程師，主要從事公路工程、市政工程施工管理和投資管理工作。