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(shù)法，采用Midas Civil有限元軟件，確定了合理成橋狀態(tài)，并對不同位置斷索工況下的鋼箱拱受力狀態(tài)進(jìn)行了分析，計(jì)算結(jié)果可為類似橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；鋼箱拱；斷索工況；受力狀態(tài)

中圖分類號(hào)：U448.22 A 39 139 2

0 引言

受地形、地質(zhì)及周圍景觀環(huán)境影響，城市橋梁較多地采用拱橋結(jié)構(gòu)形式。當(dāng)橋高較低，橋位空間因素受到限制時(shí)，下承式拱橋是理想的選擇方案。當(dāng)拱橋不是作為獨(dú)跨結(jié)構(gòu)出現(xiàn)或者地質(zhì)情況較差時(shí)，一般在橋面系處設(shè)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(shè)置常規(guī)裝配式橋梁與主跨進(jìn)行銜接，此時(shí)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(jié)構(gòu)，其中鋼箱是拱肋較為常見的結(jié)構(gòu)形式。

劉鵬［1］對城市系桿拱橋矢跨比、橫梁布置等關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)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(tài)進(jìn)行了分析并給出了優(yōu)化措施；周祥樹［3］結(jié)合某100 m跨徑鋼箱系桿拱工程案例，探討了結(jié)構(gòu)形式、計(jì)算成果和設(shè)計(jì)要點(diǎn)等內(nèi)容；方正東等［4］對引江濟(jì)淮某下承式鋼箱網(wǎng)狀吊索系桿拱橋設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了分析研究；王鵬宇［5］對主跨130m跨徑下承式拱橋抗震設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)及動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了探討；王陽［6］研究了鋼箱拱橋節(jié)段結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)和地震響應(yīng)下的失效機(jī)理；于穎［7］基于有限元軟件系統(tǒng)分析了鋼箱拱橋動(dòng)力特性及施工過程穩(wěn)定性。以上研究大多基于設(shè)計(jì)參數(shù)、施工方法、靜動(dòng)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(jié)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(tài)，然后對斷索工況條件下結(jié)構(gòu)受力變化進(jìn)行了重點(diǎn)研究，為同類橋型設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用提供支撐。

1 項(xiàng)目背景

為跨越河道，經(jīng)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(tái)采用重力式橋臺(tái)，墩臺(tái)基礎(chǔ)均為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。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(shè)置風(fēng)撐相連接，拱軸線為懸鏈線形式，拱軸系數(shù)為1.4，矢跨比為1/5，拱肋采用內(nèi)傾布置，拱肋與縱橋向鉛垂面夾角為10°，以滿足穩(wěn)定性要求。施工方式為先梁后拱，施工拱肋時(shí)在橋面系兩側(cè)共設(shè)置8個(gè)臨時(shí)支架以支承拱肋，安裝完吊索后拆除臨時(shí)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(jié)構(gòu)，吊點(diǎn)處設(shè)置工字鋼橫梁，橫梁高度為0.9 m，單側(cè)拱肋共設(shè)置22根吊索，主梁高為2.3 m，截面為鋼箱梁形式，共設(shè)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(yù)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(tài)

一般而言，不考慮收縮徐變影響，以合理成橋狀態(tài)作為出發(fā)點(diǎn)，通過倒拆分析可以得到每一個(gè)施工步驟下的內(nèi)力狀態(tài)。在施工過程中通過一定的監(jiān)控手段，保證結(jié)構(gòu)線形變化與分析結(jié)果一致，是大跨度拱橋成橋索力、主梁內(nèi)力等各項(xiàng)指標(biāo)滿足既定要求的有效途徑。目前關(guān)于合理成橋狀態(tài)的研究方法較多，其中未知荷載系數(shù)法的應(yīng)用較為廣泛且力學(xué)概念較為清晰［8］。本次研究中，未知荷載系數(shù)法將系梁豎向位移控制在0.5 cm范圍內(nèi)作為目標(biāo)函數(shù)，以求得各構(gòu)件彎矩。為對比研究，采用最小彎曲能法作為合理成橋狀態(tài)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(gòu)件較好的內(nèi)力狀態(tài)。建模時(shí)橋面系縱橫梁、拱肋、風(fēng)撐均采用梁單元，預(yù)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(yù)制橋面板板單元采用共用節(jié)點(diǎn)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(jīng)計(jì)算，未知荷載系數(shù)法和最小彎曲能法兩種成橋狀態(tài)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(biāo)為沿縱橋向的單元號(hào)。

由圖4～5計(jì)算結(jié)果可知，未知荷載系數(shù)法對于系梁彎矩控制較好，整體處于彈性支承連續(xù)梁受力狀態(tài)；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(dá)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(yōu)勢，但在接近拱腳截面附近時(shí)，拱肋彎矩增加較快，最大達(dá)到10 765.1 kN·m；未知荷載系數(shù)法在拱肋全跨范圍內(nèi)整體數(shù)值控制在4 940.0 kN·m內(nèi)。考慮收縮徐變影響后，本文所選取的拱肋截面應(yīng)力滿足要求，因此，本文以未知荷載系數(shù)法作為該橋合理成橋狀態(tài)分析方法。

3 斷索工況分析

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，拱橋在運(yùn)營過程中，吊索由于連接部位出現(xiàn)嚴(yán)重的疲勞效應(yīng)會(huì)發(fā)生突然斷裂的現(xiàn)象。斷索一旦出現(xiàn)后，全橋受力發(fā)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(tǒng)分析，對斷索工況取1～2根進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度和破斷力分別為1 770 MPa和4 155 kN。有限元分析時(shí)考慮結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、拱腳配重、車道荷載、系統(tǒng)溫度、溫度梯度、風(fēng)荷載及收縮徐變影響，按照承載能力極限狀況進(jìn)行組合。經(jīng)初步計(jì)算發(fā)現(xiàn)，斷索后，吊索內(nèi)力的變化較主梁和拱肋截面應(yīng)力影響較大，因此，本次斷索分析主要關(guān)注吊索內(nèi)力變化。

取一側(cè)吊索進(jìn)行分析，未發(fā)生斷索工況前，承載能力極限狀態(tài)組合下吊索最大內(nèi)力如圖6所示。

未發(fā)生斷索工況前，吊索最大內(nèi)力為1 605.5 kN，位于4#吊索（單側(cè)吊索共22根，序號(hào)按從左到右方向排序）。吊索安全系數(shù)為2.59，參考《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D65-06-2015）［9］，大于規(guī)范容許值2.5，滿足要求。

3.1 斷1根吊索工況

斷索一般發(fā)生在短吊索附近。為系統(tǒng)研究斷1根吊索工況，由于吊索內(nèi)力分布基本對稱，按照單側(cè)一半吊索依次斷索進(jìn)行分析，共11個(gè)工況，計(jì)算得到斷1根吊索工況下吊索最大內(nèi)力如圖7所示。

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)：

（1）一側(cè)斷索對另一側(cè)吊索內(nèi)力影響較小，對同側(cè)附近的3根吊索影響較大，這與結(jié)構(gòu)剛度密切相關(guān)。該橋橋面較寬，吊索間距明顯小于橋面寬度，當(dāng)斷索發(fā)生后，內(nèi)力向最近的吊索開始傳遞，當(dāng)傳遞到第3根時(shí)，內(nèi)力明顯減弱。

（2）2#～4#吊索斷索工況發(fā)生后，周圍吊索內(nèi)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(fā)生后，2#吊索內(nèi)力為所有斷1根吊索工況中的最大值，此時(shí)2#吊索內(nèi)力為2 105.2 kN，吊索安全系數(shù)由2.59降為1.97。

（3）對于整體規(guī)律而言，從支點(diǎn)向跨中方向，斷1根吊索工況所引起的吊索內(nèi)力變化后的全橋最大吊索內(nèi)力逐漸減低，表明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注短吊索斷索工況，并應(yīng)采取合理措施避免短吊索運(yùn)營過程中發(fā)生疲勞斷裂。

3.2 斷2根吊索工況

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，支點(diǎn)位置附近發(fā)生斷索偏于不利，因此分別取靠近支點(diǎn)的1#和2#、2#和3#、3#和4#、4#和5#、5#和6#吊索同時(shí)斷2根吊索進(jìn)行分析。分析結(jié)果如圖8所示。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，同時(shí)斷2根吊索對吊索內(nèi)力的重分布影響較大，當(dāng)3#和4#斷索工況發(fā)生后，2#吊索內(nèi)力達(dá)到2 735.9 kN，此時(shí)吊索安全系數(shù)由2.59降為1.52，安全風(fēng)險(xiǎn)較大，實(shí)橋中應(yīng)避免發(fā)生同時(shí)斷2根吊索的情形，保障橋梁安全運(yùn)營。

4 結(jié)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(jìn)行了合理成橋狀態(tài)分析，然后重點(diǎn)探討了斷索工況對拱橋受力的影響。未知荷載系數(shù)法對于下承式鋼箱拱橋進(jìn)行合理成橋狀態(tài)分析相對簡單可靠。實(shí)橋中應(yīng)采取有效防護(hù)措施，避免斷索出現(xiàn)在靠近支點(diǎn)的短吊索附近，并適當(dāng)提高吊索安全系數(shù)。

參考文獻(xiàn)

［1］劉 鵬.異型系桿拱橋關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)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(shí)錨固設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)［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(wǎng)狀吊桿系桿拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析——以引江濟(jì)淮兆河Ⅰ級(jí)航道姥山橋?yàn)槔跩］.安徽建筑，2022，29（6）：148，177.

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

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

［7］于 穎.鋼箱系桿拱橋動(dòng)力特性和施工過程穩(wěn)定性分析［D］.沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2019.

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

［9］JTGT D65-06-2015，公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

收稿日期：2022-12-20