基于異形結構的大跨度鋼拱橋設計與分析

黃兆亮

摘要 為提高大跨度鋼拱橋設計水平，文章以具體橋梁工程為例，結合分析線路條件限制和設計原理，提出（32+140+32）m鋼箱鋼架拱橋式設計方案，并闡述關鍵設計要點。經驗證，該設計方案具有良好的合理性及安全性，能夠達到橋式結構的總體設計和結構穩定性要求，對于提高大跨度鋼拱橋設計水平，確保橋梁工程整體質量具有一定的參考價值。

關鍵詞 鐵路橋；鋼架拱；橋梁設計；穩定分析

中圖分類號 U448.22文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）14-0096-03

0 引言

隨著拱橋結構形式的發展，我國所建設的鋼拱橋的結構體系變得更加復雜，跨度也在逐漸增加。因而，加強對大跨度鋼拱橋的動力特性研究以及結構設計分析，不僅能使橋梁設計、建設質量得到保證，同時對大跨度鋼拱橋的安全長期使用也有積極意義[1]。

1 工程概況

某擬建大型橋梁所處河道較為順直，與上游大橋的距離約為80～120 m，考慮現有鐵路線路走向因素，沿著與河道中心線呈69°夾角的方向布置擬建橋梁的軸線。該橋梁設計級別為Ⅴ級航道，因此，橋梁通航的凈高度要大于6 m，雙孔單向通道時保證每個通道寬度大于55 m，單孔雙通道時保證通道寬度大于110 m，橋梁上鐵路為客運專線，設計時速為200 km，專線之間間距為4.6 m。

2 橋式方案構思

基于所采用橋式布置構思方案，嚴格遵循橋梁設計原則，綜合考慮橋梁行車、受力需求，提出3種科學可行的橋式方案，即（32+140+32）m下承式鋼箱鋼架拱、（64+140+64）m連續梁拱、140 m簡支鋼箱系桿拱[2]。

第一種方案：（32+140+32）m下承式鋼箱剛架拱，主梁采用3 m高的三室單箱式截面，梁兩端的邊墩和柱墩均設置支座，拱肋采用鋼箱結構，寬度1.2 m、高度3.5 m，主梁與拱肋用吊桿連接，拱肋與橋墩錨固連接。

第二種方案：（64+140+64）m連續梁拱，設置雙室單箱截面形式的主梁，主梁中支點高度為7 m、跨梁中部高3.5 m，拱肋高為2.8 m，拱肋為鋼管混凝土結構，呈啞鈴式[3]。

第三種方案：140 m的簡支鋼箱系桿拱，鋼箱梁、拱肋的寬度均為1.94 m，系梁高度3.5 m，兩個拱肋平行布設，均為變截面鋼箱結構，拱腳、拱頂處的高度分別為4.5 m、3 m。

兼顧成該經濟性、結構穩定性、行車要求及特點等因素，經過對三種方案的綜合比選發現，第一種方案更加可行，兼具結構組成方式合理、受力穩定可靠、效率高、成該低等優勢。

3 下承式鋼箱剛架拱橋結構設計

3.1 結構體系受力特點

結構組成包含主梁、主拱、橋墩、吊桿、系桿、基礎，主梁與拱肋用吊桿連接，主梁主墩和兩端邊墩均有支座，進而起到連接主梁和橋墩的目的。該橋梁結構的縱向受力是按照主梁→吊桿→拱肋的方式，最終將縱向荷載力轉變為拱肋的軸向力；橫向荷載力是拱肋通過柱墩間的系桿來最終實現平衡的。

3.2 主拱拱肋

主拱拱肋結構采用的是橋梁鋼板的截面鋼箱，拱軸線為拋物線，拱的矢高與跨徑比為0.25，矢高為35 m，拱肋采用鋼箱規格參數為1.2 m×3.5 m，拱肋頂部、底板厚度均為3.2 cm，腹板厚度為2.4 cm。另外，考慮到主拱肋橫向穩定性標準，選擇在鋼箱2主拱肋之間等距布置8道“一”字形橫向支撐，橫向支撐采用的是規格為1.032 m×2.0 m普通碳素的鋼箱結構。

3.3 主梁結構

主梁結構為三室單箱形截面，箱體頂部、底部厚度為250 mm，箱壁板厚度為300 mm，邊腹板厚度為250 mm。同時在邊墩支座中布設1m的橫隔梁，在中間橋墩支座上布設2 m橫隔梁，并在吊桿上設置一道厚度為300 mm厚的橫隔板。鑒于橫梁對主梁的預應力束中心距為13 m，需要在每道橫梁下布置2道鋼絞線，在橫梁下緣兩端布設2道鋼絞線。最后在主梁箱體內澆筑C50混凝土。

3.4 吊桿

吊桿為縱向雙吊桿系統，吊點中心間距0.5 m，按此間距共在主橋處設置16對吊桿。吊點中心與孔位之間的距離為8 m，當橋梁正式通車運行后，可以逐步更換吊桿。在吊桿材料的選擇上，邊吊桿采用LZM7-127鋼絲束，次邊吊桿采用LZM7-91，其他吊桿采用LZM7-73鋼絲束。

3.5 系桿

系桿由37根φ15.7 mm的鍍鋅涂油鋼絞線組成，拱肋上每片設置4根系桿，每根系桿的抗拉強度為1 860 MPa，根據科學計算后，將系桿布設在拱肋下面的人行道護欄外側，并沿拱腳穿出，最終越過拱肋固定至拱座外側位置。

4 有限元模型模擬

建模工具采用Midas Civil 2015軟件，構建FEA計算分析模型，用于驗證試驗測算值。吊桿用桁架單元模擬，拱肋和橫撐用空間梁單元模擬，對鋼箱梁采用自定義截面的方式分別進行模擬，共布設了669個節點、1 014個單元，即：一是在兩端拱腳約束所有的自由度；二是橋墩支撐平臺底部采用6×6的自由度矩陣進行模擬；三是順橋方向的主梁為半漂浮體系，根據穩定性要求，做豎向固定處理，橫橋向的邊墩及主墩支座橫向均設置活動支座，用橫向彈性限位支座約束橫向主墩的橫向位移；四是橫撐與拱肋間的連接用彈性連接模擬。宜采用帶墩分析的力學模擬模型，建模結果如圖1。

4.1 應力試驗結果及分析

橋梁應力試驗采用加載試驗的方式，加載物考慮的是T11BK型長鋼軌車列車組，基于Midas Civil 2015模擬軟件得到的主跨截面、吊桿、系桿及拱腳等參數后，考慮最差加載條件，在此前提下進行模擬分析以確定加載輪位和試驗情況。模擬分析中，移動荷載影響線計算采用的是Midas Civil 2015空間有限元模型，從而得出全橋的軸力和彎矩較大的位置，進而來進行加載試驗。對比理論應力計算值與實測應力，按照《鐵路橋梁檢定規范》做進一步分析，確定構件的有關系數，評價橋梁結構工作性能，具體分如下幾種情況考慮：

當桿件實測彎曲應力/桿件理論彎曲應力=1時，理論值與實測值一致；

當桿件實測彎曲應力/桿件理論彎曲應力＜1時，表明橋梁結構工作性能狀況較好，荷載承受力有一定富余；

當桿件實測彎曲應力/桿件理論彎曲應力＞1時，表明橋梁結構工作性能狀況較差，施工設計荷載承受力不足。

以主梁斷面、中跨跨中部分斷面測點為例，對比分析彎曲應力理論值和實測值，結果如圖2～3所示。

通過圖2～3所示及上述技術測算，桿件實測彎曲應力/桿件理論彎曲應力的校驗系數處在0.8～0.95范圍內，而《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/TJ21—2011）中要求的校驗系數范圍為0.7～1.05，因此可以得知，在計算模型和驗算方式都運用正確的情況下，鋼架系桿拱橋的理論計算值和實驗值是較為接近的，驗算的應變和撓度校驗值比公路承載力要求中的系數范圍小。截面尺寸、結構跨度、結構類型、測量誤差等因素均會影響校驗系數，因此還需進行大量的試驗和驗算，以確保類似結構橋梁的校驗結果更加可靠，而前述提及的校驗系數僅供參考借鑒，具體還需根據實際工程環境進行調整，不可直接應用。

通過以上分析可知，該橋梁中的鋼架系桿拱橋、主梁斷面、主梁中跨的荷載力系數處于0.8～0.95范圍內，表明橋梁結構強度達到設計要求。

4.2 撓度試驗結果及分析

該試驗中將撓度值的測試控制位置布設在橋梁主跨的中間部位的擋砟墻上，分別在該處左右位置布設8個監測點，左擋砟墻跨中、右擋砟墻跨中各測點的撓度實測值和理論值，如表1所示。

根據表1可知，撓度值的校驗系數為0.8～0.91，對比分析發現，實測值均低于理論值，結構的剛度達標。

4.3 梁體振幅與振動加速度測試結果及分析

根據實測結果可知，邊跨跨中的最大縱向振幅為0.14 mm，最大縱向加速度為0.068 m/s2；測試得到的中跨跨中最大縱向振幅為0.339 mm，中跨跨中的最大縱向加速度為0.063 m/s2，如圖4～5所示；經過與《公路橋梁結構安全監測系統技術規程》（JT/T1037—2016）的相關規定進行對比分析，得知實測縱向下限振幅均在許可范圍內，相比規程要求的縱向下限加速度3.5 m/s2，測試值更低。中跨跨中、邊跨跨中的最大橫向振幅實測值分別為0.075 mm、0.036 mm，中跨跨中、邊跨跨中的最大橫向加速度分別為0.663 m/s2和0.486 m/s2，經過對比分析可知，無論橫向下限振動還是下限加速度，實際測量結果均小于技術規程的下限值。

5 結論

通過對主橋（32+140+32）m剛架拱橋式結構設計與分析，發現該橋梁結構運營階段各橋梁結構構件均能達到剛度、強度及穩定性要求，橋梁結構整體質量良好，可滿足大跨度鋼拱橋設計使用要求。并且，結構設計水平高，有效地組合應用鋼箱拱和剛架梁橋，在充分遵循橋梁設計總原則的同時還簡化了結構受力，提高了橋梁的跨越能力，控制了梁端轉角，并能在保障通航凈高的基礎上控制建筑高度，具有良好的推廣和應用價值。

參考文獻

[1]熊禮鵬. 無風撐異形鋼箱拱肋系桿拱橋受力分析[J]. 交通科技， 2014（4）： 40-41.

[2]李新平， 陳宜健， 李澤雨. 中承式拱橋的側傾穩定性研究[J]， 公路， 2010（4）： 41-46.

[3]夏偉杰， 王銀輝， 李應根. 大跨徑內傾式鋼拱橋穩定分析[J]. 華東公路， 2016（6）： 20-21.