莫永春MO Yong-chun

（中國(guó)中鐵股份公司安全質(zhì)量督查三組，北京 100080）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，城市橋梁美觀性要求越來(lái)越高，而拱橋作為一種自古傳承至今的優(yōu)美橋梁體系，在城市橋梁建設(shè)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-3]。而鋼桁架系桿拱橋其實(shí)是一種集拱與梁的優(yōu)點(diǎn)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(lái)共同承受荷載，充分發(fā)揮被組合的簡(jiǎn)單體系的特點(diǎn)和組合作用，以達(dá)到節(jié)省材料或者降低對(duì)地基的要求的設(shè)計(jì)構(gòu)想[4-6]。系桿拱橋由拱肋、系桿（梁）、吊桿等協(xié)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(fā)展前景的大跨度橋梁結(jié)構(gòu)形式[7，8]。而在建造鋼桁架系桿拱橋時(shí)，不同的預(yù)應(yīng)力加載方式對(duì)鋼桁架拱橋的受力性能也有所不同，導(dǎo)致鋼桁架拱橋的傳力路徑也有所不同，因此有必要針對(duì)不同預(yù)應(yīng)力加載方式下的鋼桁架拱橋各個(gè)部件受力的差異性進(jìn)行深入研究探討，目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有許多學(xué)者對(duì)鋼桁架拱橋進(jìn)行大量研究[9，10]。而本文以某大跨度鋼桁架系桿拱橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用midas civil 有限元軟件建立三維空間數(shù)值模型，提出只設(shè)置系桿預(yù)壓力、只設(shè)置混凝土橋面板預(yù)應(yīng)力鋼束以及既不設(shè)置系桿預(yù)壓力也不設(shè)置混凝土橋面板預(yù)應(yīng)力鋼束三種預(yù)應(yīng)力加載方式，分析在不同預(yù)應(yīng)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(yīng)力情況。

1 工程概況

某跨河工程主橋采用42m+140m+42m 三跨連續(xù)鋼桁架拱橋，主橋?yàn)闊o(wú)推力系桿拱橋體系，上部結(jié)構(gòu)通過(guò)連續(xù)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(yù)應(yīng)力加載方式

由于大跨度下承式連續(xù)鋼桁架系桿拱橋?qū)儆诘湫偷娜嵝韵禇U（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(shè)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(lái)看，設(shè)置系桿的方式其實(shí)類似于給鋼系梁設(shè)置了體內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼束，通過(guò)施加預(yù)壓力來(lái)抵消部分或者全部鋼系梁會(huì)受到的軸向拉力?？紤]到設(shè)置系桿的錨固構(gòu)造較為繁瑣，且鋼材本身的抗拉與抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值是一致的，從節(jié)省材料、降低造價(jià)的角度出發(fā)，近年來(lái)有學(xué)者提出可以將鋼結(jié)構(gòu)系桿拱橋的系桿去掉，只依靠鋼系梁來(lái)承受拱肋傳來(lái)的水平推力，這樣可以充分發(fā)揮鋼系梁的抗拉強(qiáng)度。此外，對(duì)于橋面寬度較大的系桿拱橋來(lái)說(shuō)，有學(xué)者提出系桿預(yù)壓力的橫橋向影響范圍較為有限，會(huì)造成橫梁受力較為不利，因此從預(yù)應(yīng)力的作用效果出發(fā)，可以在混凝土橋面板中沿橫橋向均勻設(shè)置縱橋向的預(yù)應(yīng)力鋼束來(lái)代替系桿的作用。因此，為了探索哪種預(yù)應(yīng)力加載方式對(duì)大跨度下承式連續(xù)鋼桁架系桿拱橋的局部構(gòu)件受力更為有利，對(duì)比分析在僅設(shè)置系桿、僅設(shè)置混凝土橋面板預(yù)應(yīng)力鋼束、既不設(shè)置系桿也不設(shè)置混凝土橋面板預(yù)應(yīng)力鋼束這三種預(yù)應(yīng)力加載方案下邊拱和中拱的上拱肋，以及邊、中系梁的應(yīng)力情況。

3 鋼桁架系桿拱橋應(yīng)力分析

3.1 恒荷載工況下各構(gòu)件應(yīng)力分析

分別建立三種預(yù)應(yīng)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(yīng)力值，如圖2 和表1 所示。

表1 恒載工況下的各構(gòu)件應(yīng)力極值表（單位：MPa）

圖2 恒載工況下各構(gòu)件應(yīng)力極值對(duì)比圖

由圖2 和表1 可知，在恒荷載作用下，當(dāng)僅采用系桿預(yù)壓加載方式時(shí)，邊拱上拱肋、邊系梁以及中系梁在恒荷載作用下的應(yīng)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(yù)應(yīng)力鋼束加載方式時(shí)，其應(yīng)力極值最小，最小為76.3MPa，而采用系桿預(yù)壓加載方式的應(yīng)力極值為90.9MPa，較其增大了19.1%。當(dāng)不采用任何預(yù)應(yīng)力加載方式時(shí)，邊拱上拱肋、中拱上拱肋以及中系梁的應(yīng)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(yù)壓預(yù)應(yīng)力加載方式對(duì)各構(gòu)件的受力改善效果最好。

3.2 整體溫度工況下各構(gòu)件應(yīng)力分析

分別建立三種預(yù)應(yīng)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(yīng)力值，如圖3 和表2 所示。

表2 整體溫度工況下的各構(gòu)件應(yīng)力極值表（單位：MPa）

圖3 整體溫度工況下各構(gòu)件應(yīng)力極值對(duì)比圖

由圖3 和表2 可知，在整體溫度作用下，采用系桿預(yù)壓加載方式和無(wú)預(yù)應(yīng)力加載方式時(shí)，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(yīng)力極值基本一致，而當(dāng)采用預(yù)應(yīng)力鋼束加載方式時(shí)，邊拱上拱肋和中拱上拱肋的應(yīng)力極值最大，分別為7.9MPa 和7.8MPa，相較于僅系桿預(yù)壓加載方式分別增大了33.9%和16.4%；邊系梁應(yīng)力極值與其余兩種預(yù)應(yīng)力加載方式相差不大，中系梁應(yīng)力極值反而是三種預(yù)應(yīng)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(yù)壓預(yù)應(yīng)力加載方式對(duì)各構(gòu)件的受力改善效果最好。

3.3 汽車荷載工況下各構(gòu)件應(yīng)力分析

分別建立三種預(yù)應(yīng)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(yīng)力值，如圖4 和表3 所示。

表3 汽車荷載工況下的各構(gòu)件應(yīng)力極值表（單位：MPa）

圖4 汽車荷載工況下各構(gòu)件應(yīng)力極值對(duì)比圖

由圖4 和表3 可知，在汽車荷載作用下，當(dāng)采用預(yù)應(yīng)力鋼束加載方式時(shí)，邊拱上拱肋、中拱上拱肋、邊系梁以及中系梁的應(yīng)力極值均最小，減小幅度最大為29.2%，而其他兩種預(yù)應(yīng)力加載方式下的各構(gòu)件應(yīng)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(yù)應(yīng)力鋼束加載方式對(duì)各構(gòu)件的受力改善效果最好。

3.4 支座沉降工況下各構(gòu)件應(yīng)力分析

分別建立三種預(yù)應(yīng)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(yīng)力值，如圖5 和表4 所示。

圖5 支座沉降工況下各構(gòu)件應(yīng)力極值對(duì)比圖

由圖5 和表4 可知，對(duì)于邊拱上拱肋、中拱上拱肋、邊系梁和中系梁，當(dāng)不采用任何加載方式和僅采用系桿預(yù)壓加載方式時(shí)，這兩個(gè)構(gòu)件的應(yīng)力極值基本一致；而當(dāng)采用預(yù)應(yīng)力鋼束加載方式時(shí)，邊拱上拱肋和中拱上拱肋的應(yīng)力極值最大，較其余兩種預(yù)應(yīng)力加載方式增加了9.3%和6.0%，邊系梁和中系梁的應(yīng)力極值反而最小，較其余兩種預(yù)應(yīng)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(yù)壓預(yù)應(yīng)力加載方式對(duì)各構(gòu)件的受力改善效果最好。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以某大跨度鋼桁架系桿拱橋?yàn)楣こ瘫尘埃捎胢idas civil 有限元軟件建立三維空間數(shù)值模型，提出只設(shè)置系桿預(yù)壓力、只設(shè)置混凝土橋面板預(yù)應(yīng)力鋼束以及既不設(shè)置系桿預(yù)壓力也不設(shè)置混凝土橋面板預(yù)應(yīng)力鋼束三種預(yù)應(yīng)力加載方式，分析在不同預(yù)應(yīng)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(yīng)力情況，得到以下結(jié)論：

①在恒荷載作用工況下，采用僅系桿預(yù)壓預(yù)應(yīng)力加載方式對(duì)各構(gòu)件的受力改善效果最好，當(dāng)僅采用系桿預(yù)壓加載方式時(shí)，邊拱上拱肋、邊系梁以及中系梁在恒荷載作用下的應(yīng)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(yù)壓預(yù)應(yīng)力加載方式和既不設(shè)置系桿預(yù)壓力也不設(shè)置混凝土橋面板預(yù)應(yīng)力鋼束對(duì)各構(gòu)件的受力改善效果接近，而設(shè)置混凝土橋面板預(yù)應(yīng)力鋼束會(huì)反而在溫度作用下會(huì)增加構(gòu)件的應(yīng)力極值。

③在汽車荷載作用工況下，采用預(yù)應(yīng)力鋼束加載方式對(duì)各構(gòu)件的受力改善效果最好。當(dāng)采用預(yù)應(yīng)力鋼束加載方式時(shí)，邊拱上拱肋、中拱上拱肋、邊系梁以及中系梁的應(yīng)力極值均最小，減小幅度最大為29.2%，因此在鋼桁架拱橋設(shè)計(jì)過(guò)程中需充分考慮汽車荷載對(duì)結(jié)構(gòu)受力性能的影響程度。