預應力加載方式對系桿拱橋的受力影響分析

莫永春MO Yong-chun

（中國中鐵股份公司安全質量督查三組，北京 100080）

0 引言

隨著經濟社會的不斷發展，城市橋梁美觀性要求越來越高，而拱橋作為一種自古傳承至今的優美橋梁體系，在城市橋梁建設中應用越來越廣泛[1-3]。而鋼桁架系桿拱橋其實是一種集拱與梁的優點于一身的拱梁組合體系橋，拱梁組合體系橋是將主要承受壓力的拱肋與主要承受彎矩的行車道梁組合起來共同承受荷載，充分發揮被組合的簡單體系的特點和組合作用，以達到節省材料或者降低對地基的要求的設計構想[4-6]。系桿拱橋由拱肋、系桿（梁）、吊桿等協同工作，以系桿（梁）部分或完全承受拱腳的水平推力為主要特征，是一種具有良好發展前景的大跨度橋梁結構形式[7，8]。而在建造鋼桁架系桿拱橋時，不同的預應力加載方式對鋼桁架拱橋的受力性能也有所不同，導致鋼桁架拱橋的傳力路徑也有所不同，因此有必要針對不同預應力加載方式下的鋼桁架拱橋各個部件受力的差異性進行深入研究探討，目前國內外已經有許多學者對鋼桁架拱橋進行大量研究[9，10]。而本文以某大跨度鋼桁架系桿拱橋為工程背景，采用midas civil 有限元軟件建立三維空間數值模型，提出只設置系桿預壓力、只設置混凝土橋面板預應力鋼束以及既不設置系桿預壓力也不設置混凝土橋面板預應力鋼束三種預應力加載方式，分析在不同預應力加載方式下下邊拱和中拱的上、下拱肋，以及邊、中系梁和混凝土橋面板的應力情況。

1 工程概況

某跨河工程主橋采用42m+140m+42m 三跨連續鋼桁架拱橋，主橋為無推力系桿拱橋體系，上部結構通過連續鋼桁架拱肋、橋面系鋼梁及系桿形成平衡，支承于橋墩上。主橋總體布置圖如圖1 所示。

圖1 主橋總體布置圖（單位：mm）

2 預應力加載方式

由于大跨度下承式連續鋼桁架系桿拱橋屬于典型的柔性系桿（梁）剛性拱，為了平衡掉拱腳位置處的水平推力，邊、中系梁都設置了4 根系桿，保證系梁截面受壓、彎組合作用。從作用效果上來看，設置系桿的方式其實類似于給鋼系梁設置了體內預應力鋼束，通過施加預壓力來抵消部分或者全部鋼系梁會受到的軸向拉力?？紤]到設置系桿的錨固構造較為繁瑣，且鋼材本身的抗拉與抗壓強度設計值是一致的，從節省材料、降低造價的角度出發，近年來有學者提出可以將鋼結構系桿拱橋的系桿去掉，只依靠鋼系梁來承受拱肋傳來的水平推力，這樣可以充分發揮鋼系梁的抗拉強度。此外，對于橋面寬度較大的系桿拱橋來說，有學者提出系桿預壓力的橫橋向影響范圍較為有限，會造成橫梁受力較為不利，因此從預應力的作用效果出發，可以在混凝土橋面板中沿橫橋向均勻設置縱橋向的預應力鋼束來代替系桿的作用。因此，為了探索哪種預應力加載方式對大跨度下承式連續鋼桁架系桿拱橋的局部構件受力更為有利，對比分析在僅設置系桿、僅設置混凝土橋面板預應力鋼束、既不設置系桿也不設置混凝土橋面板預應力鋼束這三種預應力加載方案下邊拱和中拱的上拱肋，以及邊、中系梁的應力情況。

3 鋼桁架系桿拱橋應力分析

3.1 恒荷載工況下各構件應力分析

分別建立三種預應力加載方式鋼桁架拱橋有限元模型，提取恒載工況下中邊拱上拱肋、中拱上拱肋、邊系梁和中系梁的最大應力值，如圖2 和表1 所示。

表1 恒載工況下的各構件應力極值表（單位：MPa）

圖2 恒載工況下各構件應力極值對比圖

由圖2 和表1 可知，在恒荷載作用下，當僅采用系桿預壓加載方式時，邊拱上拱肋、邊系梁以及中系梁在恒荷載作用下的應力極值是三種加載方式下最小的，較最大值分別減小了8.5%、67.8%以及27.6%；而中拱上拱肋在恒荷載作用下，采用預應力鋼束加載方式時，其應力極值最小，最小為76.3MPa，而采用系桿預壓加載方式的應力極值為90.9MPa，較其增大了19.1%。當不采用任何預應力加載方式時，邊拱上拱肋、中拱上拱肋以及中系梁的應力極值均為最大。因此綜上所述，在恒荷載作用工況下，采用僅系桿預壓預應力加載方式對各構件的受力改善效果最好。

3.2 整體溫度工況下各構件應力分析

分別建立三種預應力加載方式鋼桁架拱橋有限元模型，提取整體溫度工況下中邊拱上拱肋、中拱上拱肋、邊系梁和中系梁的最大應力值，如圖3 和表2 所示。

表2 整體溫度工況下的各構件應力極值表（單位：MPa）

圖3 整體溫度工況下各構件應力極值對比圖

由圖3 和表2 可知，在整體溫度作用下，采用系桿預壓加載方式和無預應力加載方式時，邊拱上拱肋、中拱上拱肋、邊系梁以及中系梁在整體溫度作用下的應力極值基本一致，而當采用預應力鋼束加載方式時，邊拱上拱肋和中拱上拱肋的應力極值最大，分別為7.9MPa 和7.8MPa，相較于僅系桿預壓加載方式分別增大了33.9%和16.4%；邊系梁應力極值與其余兩種預應力加載方式相差不大，中系梁應力極值反而是三種預應力加載方式中最小的，為9.0MPa。因此綜上所述，在整體溫度作用工況下，采用僅系桿預壓預應力加載方式對各構件的受力改善效果最好。

3.3 汽車荷載工況下各構件應力分析

分別建立三種預應力加載方式鋼桁架拱橋有限元模型，提取汽車荷載工況下中邊拱上拱肋、中拱上拱肋、邊系梁和中系梁的最大應力值，如圖4 和表3 所示。

表3 汽車荷載工況下的各構件應力極值表（單位：MPa）

圖4 汽車荷載工況下各構件應力極值對比圖

由圖4 和表3 可知，在汽車荷載作用下，當采用預應力鋼束加載方式時，邊拱上拱肋、中拱上拱肋、邊系梁以及中系梁的應力極值均最小，減小幅度最大為29.2%，而其他兩種預應力加載方式下的各構件應力極值相差不大。因此綜上所述，在汽車荷載作用工況下，采用預應力鋼束加載方式對各構件的受力改善效果最好。

3.4 支座沉降工況下各構件應力分析

分別建立三種預應力加載方式鋼桁架拱橋有限元模型，提取支座沉降工況下中邊拱上拱肋、中拱上拱肋、邊系梁和中系梁的最大應力值，如圖5 和表4 所示。

圖5 支座沉降工況下各構件應力極值對比圖

由圖5 和表4 可知，對于邊拱上拱肋、中拱上拱肋、邊系梁和中系梁，當不采用任何加載方式和僅采用系桿預壓加載方式時，這兩個構件的應力極值基本一致；而當采用預應力鋼束加載方式時，邊拱上拱肋和中拱上拱肋的應力極值最大，較其余兩種預應力加載方式增加了9.3%和6.0%，邊系梁和中系梁的應力極值反而最小，較其余兩種預應力加載方式減小了2.0%和19.6%。因此綜上所述，在支座沉降作用工況下，采用僅系桿預壓預應力加載方式對各構件的受力改善效果最好。

4 結語

本文以某大跨度鋼桁架系桿拱橋為工程背景，采用midas civil 有限元軟件建立三維空間數值模型，提出只設置系桿預壓力、只設置混凝土橋面板預應力鋼束以及既不設置系桿預壓力也不設置混凝土橋面板預應力鋼束三種預應力加載方式，分析在不同預應力加載方式各工況下邊拱和中拱的上拱肋和邊、中系梁的應力情況，得到以下結論：

①在恒荷載作用工況下，采用僅系桿預壓預應力加載方式對各構件的受力改善效果最好，當僅采用系桿預壓加載方式時，邊拱上拱肋、邊系梁以及中系梁在恒荷載作用下的應力極值是三種加載方式下最小的，較最大值分別減小了8.5%、67.8%以及27.6%。

②在整體溫度作用工況和支座沉降工況下，采用僅系桿預壓預應力加載方式和既不設置系桿預壓力也不設置混凝土橋面板預應力鋼束對各構件的受力改善效果接近，而設置混凝土橋面板預應力鋼束會反而在溫度作用下會增加構件的應力極值。

③在汽車荷載作用工況下，采用預應力鋼束加載方式對各構件的受力改善效果最好。當采用預應力鋼束加載方式時，邊拱上拱肋、中拱上拱肋、邊系梁以及中系梁的應力極值均最小，減小幅度最大為29.2%，因此在鋼桁架拱橋設計過程中需充分考慮汽車荷載對結構受力性能的影響程度。