陸成克

【摘要：】文章以某鋼桁架拱橋為研究背景，借助Midas Civil有限元軟件建立拱橋的實橋模型，探討吊桿剛度對鋼桁架拱橋結(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)僅上緣最大壓應力隨著吊桿剛度的增大而逐漸增大，其余應力以及其主梁變形均隨之逐漸減小，吊桿剛度過大不能明顯增加主梁應力儲備，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力受吊桿剛度影響較大，拱肋各關鍵截面豎向位移均隨著吊桿剛度的增大呈小幅增大趨勢;（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，吊桿剛度變化對拱梁相交處吊桿索力的影響大于跨中處。

【關鍵詞：】鋼桁架拱橋;吊桿剛度;主梁;拱肋;應力;位移

U448.22+4A481603

0 引言

拱橋因造型美觀、堅固耐用等優(yōu)點在橋梁發(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，因此在大跨度橋梁建設上尤其是地震烈度較大或風速較強的地區(qū)備受歡迎[2-3]。

考慮到吊桿剛度是鋼桁架拱橋設計中的主要參數(shù)之一，其對橋梁結(jié)構(gòu)的受力穩(wěn)定與變形極其重要[4-6]。近年來，國內(nèi)外橋梁學者雖在鋼桁架拱橋方面進行了不少研究，但在關于吊桿剛度對鋼桁架拱橋靜力特性影響方面仍缺乏系統(tǒng)的研究[7-8]?；诖耍疚慕柚鶰idas Civil有限元分析軟件，以某鋼桁架拱橋為背景建立實橋模型，通過改變模型內(nèi)吊桿剛度的大小，分別對不同吊桿剛度情形下的鋼桁架拱橋展開靜力特性分析，旨在為鋼桁架拱橋的設計提供參考依據(jù)。

1 工程背景

本文以某下承式鋼桁架拱橋為研究背景，其主橋跨徑布置為（22+106+22）m，橋面寬度為38 m，荷載等級為城市-A級，布置雙向六車道，設計車速為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

通過采用Midas Civil軟件建立鋼桁架拱橋的有限元實橋數(shù)值模型，在建模過程中拱橋的主次縱梁、橫梁、桁架拱、風撐等構(gòu)件都采用梁單元模擬，橋面板、吊索部分則分別采用板單元、桁架單元模擬。實橋模型一共有1 800個梁單元、700個板單元、40個桁架單元。實橋有限元數(shù)值模型如圖2所示。模型在順橋向拱腳處一端設置固定支座，另一端設置滑動支座。計算荷載為恒載（自重、二期恒載）、活載（城-A荷載、人群荷載）、支座不均勻沉降、風荷載和溫度荷載等。

3 吊桿剛度對鋼桁架拱橋結(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橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性?？紤]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對鋼桁架拱橋靜力特性的影響。

3.1 吊桿剛度對主梁應力、變形的影響分析

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

由表1、表2和有限元計算結(jié)果可知，主梁上、下緣的最大拉應力分別出現(xiàn)于下弦桿拱腳處和主梁跨中處，最大壓應力分別出現(xiàn)于邊跨跨中處與下弦桿拱腳處。當?shù)鯒U剛度增大，主梁結(jié)構(gòu)僅上緣最大壓應力略微增大，而主梁結(jié)構(gòu)的其他應力則均隨之減小，原因是上緣最大壓應力出現(xiàn)于邊跨處;主梁應力在吊桿剛度達到EI后的變幅均不明顯，說明剛度過大并不能有效增加主梁應力儲備。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 吊桿剛度對拱肋應力、變形的影響分析

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

根據(jù)表3、表4與有限元計算結(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截面的應力逐漸增大，1/8截面的應力逐漸減小，而1/2截面的應力呈先增大后減小趨勢;拱肋下弦桿1/8截面、1/4截面、3/8截面、1/2截面的應力均隨著吊桿剛度的增大逐漸增大，僅拱腳截面應力隨之逐漸減小;吊桿剛度變化對拱肋下弦桿拱腳截面的應力產(chǎn)生了較大影響，但其余各關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，拱肋各關鍵截面豎向位移均逐漸增大，但增量均沒有>0.4 cm，說明吊桿剛度對拱肋豎向位移的影響可以忽略。

3.3 吊桿剛度對吊桿索力的影響分析

考慮到吊桿沿縱向與橫向均為軸對稱，本文選取其中的D1～D8吊桿為研究對象，通過對不同吊桿剛度情形下的吊桿結(jié)構(gòu)展開靜力分析，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，說明吊桿剛度變化對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

本文依托某鋼桁架拱橋為研究背景，通過采用有限元軟件建立實橋模型，探討了不同吊桿剛度對鋼桁架拱橋結(jié)構(gòu)靜力特性的影響，主要得到以下結(jié)論：

（1）主梁上緣、下緣的最大拉應力和下緣最大壓應力均隨著吊桿剛度的增大逐漸減小，主梁上緣最大壓應力則隨之略微增大;吊桿剛度過大不能有效增加主梁應力儲備;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）吊桿剛度變化對拱肋下弦桿拱腳截面的應力產(chǎn)生了較大影響，但其余各關鍵截面的影響不明顯;隨著吊桿剛度的增大，拱肋各關鍵截面豎向位移均呈小幅增大趨勢，吊桿剛度變化對拱肋豎向位移的影響可忽略不計。

（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，吊桿剛度變化對拱梁相交處附近的吊桿索力產(chǎn)生了較大的影響，而對跨中處附近影響則較小。

參考文獻：

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