萬(wàn)德富　黃介位

摘要：文章以某大跨鋼箱系桿拱橋?yàn)楸尘肮こ?，建立全橋整體有限元模型，對(duì)比分析了不同橫撐個(gè)數(shù)、橫撐剛度及橫撐形式對(duì)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的影響。研究結(jié)果表明：鋼箱系桿拱橋穩(wěn)定系數(shù)隨橫撐個(gè)數(shù)及橫撐剛度增大而增大，呈指數(shù)增大到一定值后趨于平穩(wěn)；橫撐形式對(duì)鋼箱系桿拱橋穩(wěn)定性的影響由高到低依次為米字撐、K字撐、I字撐；實(shí)際橫撐設(shè)置應(yīng)從安全與經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)進(jìn)行合理設(shè)置。

關(guān)鍵詞：系桿拱橋；鋼箱；橫撐；穩(wěn)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(fā)揮了梁受彎、拱受壓的優(yōu)勢(shì)，提高了結(jié)構(gòu)整體受力性能，在一些地質(zhì)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(duì)于系桿拱橋來(lái)說(shuō)，作為主要受壓承重構(gòu)件的主拱，其穩(wěn)定性不容小覷，尤其是其橫向穩(wěn)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(yīng)力非常大，其受壓橫向穩(wěn)定性也不容忽視。不少研究表明［4-7］，對(duì)于大跨徑系桿拱橋，只有設(shè)置橫撐才能大大地提高橋梁結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定性，確保橋梁安全。因此，為提高系桿拱橋橫向穩(wěn)定性，橫撐設(shè)置不可缺少。然而，不同數(shù)量、不同截面（剛度不同）、不同形式的橫撐對(duì)系桿拱橋穩(wěn)定性影響大小也不相同，有必要對(duì)不同橫撐設(shè)置情況下的系桿拱橋穩(wěn)定性進(jìn)行單獨(dú)分析。

本文在以往研究的基礎(chǔ)上，以某大跨鋼箱系桿拱橋?yàn)楸尘肮こ?，建立全橋整體有限元模型，對(duì)比分析不同橫撐個(gè)數(shù)、橫撐剛度及橫撐形式對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響大小，為同類橋梁在橫撐設(shè)置上提供一定的參考借鑒。

1 工程背景簡(jiǎn)介及原始模型的建立

1.1 工程背景簡(jiǎn)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(zhì)及橋下凈空限制，該橋引橋采用常規(guī)預(yù)制小箱梁，橋?qū)?2 m；主橋采用下承式鋼箱系桿拱橋，全寬16 m，跨徑為145 m（計(jì)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(yù)制板；吊索采用1 860 MPa級(jí)別的索體用環(huán)氧噴涂PE護(hù)套鋼絞線，全橋共15對(duì)，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(shè)置7道I字橫撐。頂、底板及腹板厚16 mm，箱內(nèi)采用140 mm×12 mm加勁肋。其橫撐標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖2所示。

1.2 原始有限元模型的建立

為對(duì)比分析不同橫撐個(gè)數(shù)、橫撐剛度及橫撐形式對(duì)本項(xiàng)目鋼箱系桿拱橋穩(wěn)定性的影響規(guī)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(gòu)件均采用梁?jiǎn)卧M。此外，由于整座主橋簡(jiǎn)支落于主墩之上，因此按簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)對(duì)主橋進(jìn)行邊界模擬。共計(jì)418個(gè)節(jié)點(diǎn)、412個(gè)單元。主橋有限元模型如圖3所示。

2 橫撐個(gè)數(shù)對(duì)鋼箱系桿拱橋穩(wěn)定性的影響分析

背景工程一共設(shè)置7道I字橫撐，全橋共15對(duì)吊索。因此，下文以背景工程為研究對(duì)象，選取8組不同橫撐個(gè)數(shù)組合，分析鋼箱系桿拱橋穩(wěn)定性受橫撐個(gè)數(shù)的影響規(guī)律。

經(jīng)有限元計(jì)算，鋼箱系桿拱橋在不同橫撐個(gè)數(shù)下的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表1和圖4所示。

由表1、圖4分析可知，隨著橫撐個(gè)數(shù)的不斷增加，鋼箱系桿拱橋穩(wěn)定系數(shù)逐漸增大，幾乎呈指數(shù)變化，且增大到一定程度后趨于平穩(wěn)。由此可見(jiàn)，橫撐個(gè)數(shù)是影響鋼箱系桿拱橋穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。在實(shí)際橫撐設(shè)置時(shí)，可考慮增加一定數(shù)量橫撐來(lái)提高鋼箱系桿拱橋穩(wěn)定性。

此外，由表1、圖4分析可知，拱肋處于裸拱及橫撐個(gè)數(shù)較少時(shí)，全橋穩(wěn)定系數(shù)＜4，即不滿足規(guī)范要求。因此，在拱肋處于裸拱或橫撐剛開(kāi)始施工階段，應(yīng)加強(qiáng)拱肋橫向臨時(shí)連接，增加其橫向穩(wěn)定性，保證施工安全。

3 橫撐剛度對(duì)鋼箱系桿拱橋穩(wěn)定性的影響分析

經(jīng)理論分析，鋼箱系桿拱橋發(fā)生橫向屈曲主要是由于其橫向變形過(guò)大導(dǎo)致，而其變形大小與橫撐剛度直接相關(guān)。因此，下文以背景工程為研究基礎(chǔ)，選取9組與原橫撐剛度成倍數(shù)關(guān)系的橫撐，分析鋼箱系桿拱橋穩(wěn)定性受橫撐剛度的影響規(guī)律。

經(jīng)有限元計(jì)算，鋼箱系桿拱橋在不同橫撐剛度下的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)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(wěn)定系數(shù)也隨之逐漸增大，且增大速率由快變緩，呈指數(shù)變化，增大到一定程度后趨于平穩(wěn)。以本橋?yàn)槔?，?dāng)鋼箱系桿拱橋橫撐剛度增大至原來(lái)的2.5倍左右時(shí)，穩(wěn)定系數(shù)穩(wěn)定在9.0左右?？梢?jiàn)，橫撐剛度也是影響鋼箱系桿拱橋穩(wěn)定性的重要因素。

由材料力學(xué)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(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，不建議選取較大斷面橫撐，適宜即可，尤其當(dāng)橋面較寬時(shí)，較大斷面橫撐對(duì)其自身受力與變形也較為不利。

此外，從施工安全角度出發(fā)，較大斷面的橫撐對(duì)施工也相對(duì)不利，施工風(fēng)險(xiǎn)更高。

4 橫撐形式對(duì)鋼箱系桿拱橋穩(wěn)定性的影響分析

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，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(dú)立或相互搭配設(shè)置。

為研究K字撐對(duì)鋼箱系桿拱橋穩(wěn)定性的影響規(guī)律，下文以背景工程為研究基礎(chǔ)，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(wěn)定性受K字撐影響規(guī)律，典型K字撐設(shè)置如圖6所示。

經(jīng)有限元計(jì)算，鋼箱系桿拱橋在不同K字撐個(gè)數(shù)下的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3和圖7所示。

為研究米字撐對(duì)鋼箱系桿拱橋穩(wěn)定性的影響大小，下文以背景工程為研究基礎(chǔ)，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(wěn)定性受米字撐影響規(guī)律。典型米字撐設(shè)置如圖8所示。

經(jīng)有限元計(jì)算，鋼箱系桿拱橋在不同米字撐個(gè)數(shù)下的穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算結(jié)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(wěn)定系數(shù)隨K字撐數(shù)量增加而增大，且增大速率逐漸增加，呈指數(shù)變化，由此可見(jiàn)，K字撐對(duì)鋼箱系桿拱橋穩(wěn)定性的影響大于I字撐，K字撐優(yōu)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(wěn)定系數(shù)隨米字撐數(shù)量增加而增大，但增大速率逐漸減小。由此可見(jiàn)，米字撐對(duì)鋼箱系桿拱橋穩(wěn)定性的影響大于K字撐，米字撐優(yōu)于K字撐。

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

5 結(jié)語(yǔ)

本文以背景工程為研究基礎(chǔ)，對(duì)比分析了不同橫撐個(gè)數(shù)、橫撐剛度及橫撐形式對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響大小，得出主要結(jié)論如下：

（1）鋼箱系桿拱橋穩(wěn)定性與橫撐個(gè)數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，設(shè)計(jì)中可增加一定橫撐數(shù)量提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，施工中應(yīng)加強(qiáng)拱肋橫向臨時(shí)連接，增加結(jié)構(gòu)橫向穩(wěn)定性，保證施工安全。

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

（3）鋼箱系桿拱橋穩(wěn)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(shí)際橫撐設(shè)置應(yīng)從安全與經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)進(jìn)行合理設(shè)置。

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作者簡(jiǎn)介：萬(wàn)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。