斷索工況對下承式鋼箱拱受力的影響分析

摘要：文章以某城市橋梁150 m跨徑下承式鋼箱拱為分析對象，基于未知荷載系數法，采用Midas Civil有限元軟件，確定了合理成橋狀態，并對不同位置斷索工況下的鋼箱拱受力狀態進行了分析，計算結果可為類似橋梁結構設計提供參考。

關鍵詞：橋梁工程；鋼箱拱；斷索工況；受力狀態

中圖分類號：U448.22 A 39 139 2

0 引言

受地形、地質及周圍景觀環境影響，城市橋梁較多地采用拱橋結構形式。當橋高較低，橋位空間因素受到限制時，下承式拱橋是理想的選擇方案。當拱橋不是作為獨跨結構出現或者地質情況較差時，一般在橋面系處設置系桿，以平衡拱腳推力。城市橋梁河道較寬，常常在引橋處設置常規裝配式橋梁與主跨進行銜接，此時拱橋通常為系桿拱形式。大跨度拱橋拱肋采用混凝土材料不利于施工安裝，且作為下承式拱橋景觀需求較差，因此城市下承式拱肋較多采用鋼結構，其中鋼箱是拱肋較為常見的結構形式。

劉鵬［1］對城市系桿拱橋矢跨比、橫梁布置等關鍵設計參數進行了分析研究；姜海波［2］考慮無支架施工方式對系桿拱橋施工過程受力狀態進行了分析并給出了優化措施；周祥樹［3］結合某100 m跨徑鋼箱系桿拱工程案例，探討了結構形式、計算成果和設計要點等內容；方正東等［4］對引江濟淮某下承式鋼箱網狀吊索系桿拱橋設計參數進行了分析研究；王鵬宇［5］對主跨130m跨徑下承式拱橋抗震設計關鍵參數及動力響應進行了探討；王陽［6］研究了鋼箱拱橋節段結構極限狀態和地震響應下的失效機理；于穎［7］基于有限元軟件系統分析了鋼箱拱橋動力特性及施工過程穩定性。以上研究大多基于設計參數、施工方法、靜動力特性而描述，缺少對吊索拱橋斷索工況方面的分析研究，本文結合某城市橋梁工程案例，基于Midas Civil有限元軟件，首先分析了下承式鋼箱拱合理成橋狀態，然后對斷索工況條件下結構受力變化進行了重點研究，為同類橋型設計及工程應用提供支撐。

1 項目背景

為跨越河道，經橋型比選后，某城市橋梁采用150 m跨徑下承式鋼箱系桿拱方案。邊跨為20 m裝配式T梁，橋臺采用重力式橋臺，墩臺基礎均為鉆孔灌注樁基礎。拱肋鋼箱為等截面形式，高度和寬度分別為2.5 m和2 m，兩片拱肋之間在拱頂設置風撐相連接，拱軸線為懸鏈線形式，拱軸系數為1.4，矢跨比為1/5，拱肋采用內傾布置，拱肋與縱橋向鉛垂面夾角為10°，以滿足穩定性要求。施工方式為先梁后拱，施工拱肋時在橋面系兩側共設置8個臨時支架以支承拱肋，安裝完吊索后拆除臨時支架。橋型布置圖和橫斷面圖分別如圖1和圖2所示。

橋面系采用縱橫梁結構，吊點處設置工字鋼橫梁，橫梁高度為0.9 m，單側拱肋共設置22根吊索，主梁高為2.3 m，截面為鋼箱梁形式，共設置5根次縱梁，間距為5.6 m，梁高為0.9 m。橋面總寬為29.6 m，其中行車道寬3.5 m，人行道寬4 m。橋面系縱橫梁頂板處采用栓釘與25 cm厚度預制混凝土橋面板相連接，瀝青鋪裝層厚度為10 cm。

2 合理成橋狀態

一般而言，不考慮收縮徐變影響，以合理成橋狀態作為出發點，通過倒拆分析可以得到每一個施工步驟下的內力狀態。在施工過程中通過一定的監控手段，保證結構線形變化與分析結果一致，是大跨度拱橋成橋索力、主梁內力等各項指標滿足既定要求的有效途徑。目前關于合理成橋狀態的研究方法較多，其中未知荷載系數法的應用較為廣泛且力學概念較為清晰［8］。本次研究中，未知荷載系數法將系梁豎向位移控制在0.5 cm范圍內作為目標函數，以求得各構件彎矩。為對比研究，采用最小彎曲能法作為合理成橋狀態對比方法，該方法將主梁、拱肋和吊索剛度提高至10 000倍，以獲得各構件較好的內力狀態。建模時橋面系縱橫梁、拱肋、風撐均采用梁單元，預制橋面板采用板單元，吊索采用只受拉桁架單元，其中橋面系縱橫梁梁單元與預制橋面板板單元采用共用節點形式連接，不考慮兩者之間的滑移。所建立的有限元模型如圖3所示。

經計算，未知荷載系數法和最小彎曲能法兩種成橋狀態分析方法下的系梁、拱肋彎矩分布曲線分別如圖4和圖5所示，其中橫坐標為沿縱橋向的單元號。

由圖4～5計算結果可知，未知荷載系數法對于系梁彎矩控制較好，整體處于彈性支承連續梁受力狀態；最小彎曲能法隨著截面從拱腳到拱頂靠近，系梁彎矩逐漸增大，最大彎矩達到11 345.8 kN·m。對于拱肋彎矩分布而言，拱頂附近最小彎曲能法拱肋彎矩相對較小，具有一定優勢，但在接近拱腳截面附近時，拱肋彎矩增加較快，最大達到10 765.1 kN·m；未知荷載系數法在拱肋全跨范圍內整體數值控制在4 940.0 kN·m內。考慮收縮徐變影響后，本文所選取的拱肋截面應力滿足要求，因此，本文以未知荷載系數法作為該橋合理成橋狀態分析方法。

3 斷索工況分析

經調研發現，拱橋在運營過程中，吊索由于連接部位出現嚴重的疲勞效應會發生突然斷裂的現象。斷索一旦出現后，全橋受力發生變化，威脅行車安全。拱橋斷索一般以1根比較常見，為系統分析，對斷索工況取1～2根進行研究具有一定的意義。

本橋吊索采用7根61股鋼絲形式，標準抗拉強度和破斷力分別為1 770 MPa和4 155 kN。有限元分析時考慮結構自重、二期恒載、拱腳配重、車道荷載、系統溫度、溫度梯度、風荷載及收縮徐變影響，按照承載能力極限狀況進行組合。經初步計算發現，斷索后，吊索內力的變化較主梁和拱肋截面應力影響較大，因此，本次斷索分析主要關注吊索內力變化。

取一側吊索進行分析，未發生斷索工況前，承載能力極限狀態組合下吊索最大內力如圖6所示。

未發生斷索工況前，吊索最大內力為1 605.5 kN，位于4#吊索（單側吊索共22根，序號按從左到右方向排序）。吊索安全系數為2.59，參考《公路鋼管混凝土拱橋設計規范》（JTG/T D65-06-2015）［9］，大于規范容許值2.5，滿足要求。

3.1 斷1根吊索工況

斷索一般發生在短吊索附近。為系統研究斷1根吊索工況，由于吊索內力分布基本對稱，按照單側一半吊索依次斷索進行分析，共11個工況，計算得到斷1根吊索工況下吊索最大內力如圖7所示。

通過計算發現：

（1）一側斷索對另一側吊索內力影響較小，對同側附近的3根吊索影響較大，這與結構剛度密切相關。該橋橋面較寬，吊索間距明顯小于橋面寬度，當斷索發生后，內力向最近的吊索開始傳遞，當傳遞到第3根時，內力明顯減弱。

（2）2#～4#吊索斷索工況發生后，周圍吊索內力相對其他斷索工況而言增加明顯，且在3#吊索斷索工況發生后，2#吊索內力為所有斷1根吊索工況中的最大值，此時2#吊索內力為2 105.2 kN，吊索安全系數由2.59降為1.97。

（3）對于整體規律而言，從支點向跨中方向，斷1根吊索工況所引起的吊索內力變化后的全橋最大吊索內力逐漸減低，表明結構設計時應重點關注短吊索斷索工況，并應采取合理措施避免短吊索運營過程中發生疲勞斷裂。

3.2 斷2根吊索工況

根據以上計算結果，支點位置附近發生斷索偏于不利，因此分別取靠近支點的1#和2#、2#和3#、3#和4#、4#和5#、5#和6#吊索同時斷2根吊索進行分析。分析結果如圖8所示。

根據計算結果，同時斷2根吊索對吊索內力的重分布影響較大，當3#和4#斷索工況發生后，2#吊索內力達到2 735.9 kN，此時吊索安全系數由2.59降為1.52，安全風險較大，實橋中應避免發生同時斷2根吊索的情形，保障橋梁安全運營。

4 結語

本文采用Midas Civil有限元軟件，對某150 m跨徑城市下承式鋼箱拱橋進行了合理成橋狀態分析，然后重點探討了斷索工況對拱橋受力的影響。未知荷載系數法對于下承式鋼箱拱橋進行合理成橋狀態分析相對簡單可靠。實橋中應采取有效防護措施，避免斷索出現在靠近支點的短吊索附近，并適當提高吊索安全系數。

參考文獻

［1］劉 鵬.異型系桿拱橋關鍵設計參數分析［J］.城市道橋與防洪，2022（8）：68-71，15.

［2］姜海波.無支架施工系桿拱橋臨時錨固設計與受力特性分析［J］.城市道橋與防洪，2022（10）：128-130，18-19.

［3］周祥樹.某單跨100 m鋼箱系桿拱橋總體設計［J］.城市道橋與防洪，2022（10）：66-68，80，13-14.

［4］方正東，張 浩.下承式鋼箱網狀吊桿系桿拱橋結構設計分析——以引江濟淮兆河Ⅰ級航道姥山橋為例［J］.安徽建筑，2022，29（6）：148，177.

［5］王鵬宇.下承式單肋鋼箱拱橋靜動力特性以及地震動力響應分析［D］.成都：西南交通大學，2018.

［6］王 陽.鋼箱拱橋失效機理及設計方法研究［J］.江西建材，2018（3）：126，128.

［7］于 穎.鋼箱系桿拱橋動力特性和施工過程穩定性分析［D］.沈陽：沈陽工業大學，2019.

［8］陳 旭.下承式鋼管混凝土系桿拱橋索力研究及穩定性分析［D］.昆明：昆明理工大學，201.

［9］JTGT D65-06-2015，公路鋼管混凝土拱橋設計規范［S］.

收稿日期：2022-12-20