公路網(wǎng)狀吊桿拱橋關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)研究

殷晨昂

摘 要：為明確網(wǎng)狀吊桿拱橋關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的合理取值范圍，依托G40江淮運(yùn)河大橋，選取吊桿數(shù)量、吊桿傾角、矢跨比三個參數(shù)，研究了參數(shù)取值對結(jié)構(gòu)受力特性的影響。結(jié)果表明，增加吊桿數(shù)量和矢跨比均可降低系梁撓度和吊桿力，增加吊桿數(shù)量還可降低拱肋及系梁彎矩，提高矢跨比可降低拱肋及系梁軸力，但二者對結(jié)構(gòu)受力的影響均有限;吊桿傾角的提高會使拱肋彎矩和系梁撓度先減小后增大，最低點(diǎn)在60°到65°之間。本文通過關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的影響規(guī)律，提出了相應(yīng)取值建議，可供網(wǎng)狀吊桿拱橋設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)狀吊桿;系桿拱橋;拱橋設(shè)計(jì);參數(shù)化分析

0 引言

網(wǎng)狀吊桿拱橋是吊桿相互交叉成網(wǎng)狀布置的系桿拱橋，相較于傳統(tǒng)豎直吊桿系桿拱橋而言，其豎向剛度明顯增大，拱肋和系梁受力較為均勻，截面彎矩得到減小，是一種受力性能優(yōu)越的結(jié)構(gòu)形式[1]。

網(wǎng)狀吊桿拱橋的吊桿的布置形式、矢跨比等結(jié)構(gòu)參數(shù)對于體系受力有較大影響[2]，目前已有相關(guān)研究對其結(jié)構(gòu)體系受力特性及合理設(shè)計(jì)參數(shù)開展了分析和探討，但由于此類橋型在我國公路橋梁建設(shè)中應(yīng)用較少，相關(guān)工程實(shí)例較為缺乏，影響了其推廣應(yīng)用。因此，有必要對網(wǎng)狀吊桿拱橋在不同設(shè)計(jì)參數(shù)下的受力特性進(jìn)行進(jìn)一步研究，通過總結(jié)其受力變化規(guī)律，分析設(shè)計(jì)參數(shù)變化對結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的影響，進(jìn)而為網(wǎng)狀吊桿拱橋設(shè)計(jì)參數(shù)的取值提供依據(jù)與參考。

G40江淮運(yùn)河大橋是G40滬陜高速公路跨越引江濟(jì)淮工程的通道，主橋?yàn)?50 m鋼箱網(wǎng)狀吊桿拱橋，全寬45.3 m，拱圈矢跨比為1/5，拱高29.24 m，拱軸線采用懸鏈線。主橋橫向設(shè)置三道拱肋，邊拱肋寬1.5 m，高2.0 m;中拱肋寬1.8 m，

高2.0 m。邊系梁寬1.5 m，高2.0 m;中系梁寬1.8 m，高2.4 m。橫梁間距3.6 m，每間隔一道橫梁設(shè)置一對吊桿。橋面板為分塊預(yù)制鋼筋混凝土板，厚度26 cm。

1 關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)及指標(biāo)選取

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)選取

依托背景工程，采用Midas Civil軟件建立桿系有限元模型，選取150 m跨徑的網(wǎng)狀吊桿拱橋作為研究對象，吊桿采用恒定傾角布置方式，主要研究以下結(jié)構(gòu)參數(shù)對于公路網(wǎng)狀吊桿拱橋體系特性和受力性能的影響：

設(shè)計(jì)采用的吊桿橫梁間距為3.6 m，相應(yīng)的單片拱肋吊桿數(shù)量為36根。本文通過改變吊桿橫梁間距，對單片拱肋吊桿數(shù)量分別為28根、32根、36根、40根、44根的情況進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)采用的吊桿傾角為65°。本文以設(shè)計(jì)狀態(tài)為基準(zhǔn)，分別研究吊桿傾角取55°、60°、65°、70°、75°時的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性。

設(shè)計(jì)采用的拱軸線計(jì)算矢高為29.24 m，計(jì)算跨徑146.2 m，矢跨比0.2。本文保持計(jì)算跨徑不變，通過調(diào)整計(jì)算矢高，研究矢跨比分別取值為0.16、0.18、0.20、0.22、0.24時，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)。

1.2 指標(biāo)選取

為直觀判斷設(shè)計(jì)參數(shù)的變化對網(wǎng)狀吊桿拱橋結(jié)構(gòu)受力狀況的影響，對于上述研究參數(shù)，計(jì)算中考慮以下主要指標(biāo)：拱頂、拱腳等關(guān)鍵位置處的最大彎矩/軸力;系梁跨中、梁端等關(guān)鍵位置處的最大彎矩/軸力;系梁跨中撓度及最大撓度;平均吊桿力及最大吊桿力。

2 參數(shù)化分析

2.1 吊桿數(shù)量參數(shù)化分析

吊桿起到將系梁承受的荷載傳遞給拱肋的作用?？鐝较嗤瑫r，吊桿數(shù)量越多，吊桿間距越小，每根吊桿受力相應(yīng)越小;同時，吊桿數(shù)量的增加會使拱肋受力更加均勻，對系梁提供的彈性支承也越多，從而使拱肋和系梁彎矩得到降低。

吊桿數(shù)量從28根增加到44根，拱肋軸力輕微增加，但增幅不明顯且有波動，最大增幅僅為2.8%。拱肋彎矩在吊桿數(shù)量由28根增加到32根時有大幅降低，降幅達(dá)到20.4%;但其降低速度隨著吊桿數(shù)量的增多逐漸變慢。

隨著吊桿數(shù)量增加，系梁跨中軸力和最大軸力有所降低，最大軸力降幅為10.5%，但系梁端部軸力基本無變化;系梁各部位彎矩基本呈下降趨勢，系梁最大彎矩降幅為15.9%。

隨著吊桿數(shù)量增加，系梁位移和吊桿力均逐漸減小，系梁最大位移降低了23.8%，最大吊桿力降低了38%，但系梁位移和吊桿力的降低速度逐漸減慢，反映吊桿數(shù)量增加對主梁剛度的提升和對吊桿力的減小作用逐漸減弱。

總體而言，隨著吊桿數(shù)量增加，拱肋和系梁彎矩有所降低，軸力也有輕微降低的趨勢，但相對較不明顯;系梁位移和吊桿力則有明顯降低。隨吊桿數(shù)量增加，其對結(jié)構(gòu)受力的影響程度減弱，因此，增加吊桿數(shù)量雖然可以提高結(jié)構(gòu)剛度及承載力，但若超過合理范圍也是不經(jīng)濟(jì)的，同時，吊桿數(shù)量增加意味著吊桿間距減小、吊桿錨固點(diǎn)增多，影響施工便利性。本橋跨徑150 m，單片拱肋采用36根吊桿，吊桿橫梁間距為7.2 m，相對而言是比較合適的。

2.2 吊桿傾角參數(shù)化分析

網(wǎng)狀吊桿拱橋的吊桿數(shù)量較多，吊桿傾角對其受力性能有較大影響，通常取值在45°～75°之間。傾角過小時，吊桿豎向分力較小，吊桿力利用率低，影響受力性能，也不具有良好的視覺效果;而傾角過大時，結(jié)構(gòu)受力又接近豎吊桿拱，不能體現(xiàn)出網(wǎng)狀吊桿拱橋的受力優(yōu)勢。

吊桿傾角對拱肋彎矩的影響見圖1。吊桿傾角從55°增加到75°，拱腳軸力和拱肋最大軸力略有下降，而拱頂軸力上升，但總體而言軸力變化幅度較小，拱肋最大軸力降幅僅為3.0%。拱頂彎矩和拱肋最大彎矩隨吊桿傾角增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，其最低點(diǎn)大致在吊桿傾角取60°左右時;而拱腳彎矩隨吊桿傾角增加略有降低，但降幅較小。

隨著吊桿傾角增加，系梁跨中軸力和最大軸力增大，最大軸力增加了29.7%;系梁跨中彎矩和最大彎矩則先減小后增加，其最低點(diǎn)在吊桿傾角60°～65°之間，與最高點(diǎn)相比，最低點(diǎn)彎矩有22.3%的降低;而系梁端部軸力與彎矩略有波動，但基本保持不變。

系梁豎向位移呈先減小后增加的趨勢，其最低點(diǎn)在吊桿傾角60°～65°之間，當(dāng)?shù)鯒U傾角從55°增加到60°時，系梁最大位移降低了31.6%。最大吊桿力基本上也呈先減小后增加，但變化幅度相對較小。平均吊桿力則基本上不斷減小，體現(xiàn)了隨吊桿傾角增加，吊桿力利用率的提高，其降幅呈現(xiàn)先快后慢的趨勢，但相對而言變化幅度同樣不大。

總體而言，隨著吊桿傾角增加，拱肋和系梁彎矩、系梁撓度均呈先減小后增大的趨勢，尤其是拱肋彎矩和系梁撓度的變化更為顯著。吊桿傾角對結(jié)構(gòu)軸力和吊桿力的影響則相對較小。對于網(wǎng)狀吊桿拱橋而言，當(dāng)其吊桿采用傾角恒定布置時，則吊桿傾角取值在60°到65°之間最為合理。

2.3 矢跨比參數(shù)化分析

矢跨比是拱橋的重要參數(shù)之一，對結(jié)構(gòu)整體受力與變形有較大影響。較小的矢跨比使得拱軸線形更接近于坦拱，拱肋和系梁中的軸力增大，同時結(jié)構(gòu)豎向剛度降低。

矢跨比從0.16增加到0.24，拱肋軸力和彎矩逐漸減小，但速度逐漸放緩，且二者降幅不同，拱肋最大軸力降低了24.9%，而最大彎矩僅降低了3%左右，相較而言，拱肋軸力對矢跨比的變化更為敏感。

隨著矢跨比增大，由于拱腳水平推力減小，系梁軸力也隨之減小，其減小速率也有逐漸放緩的趨勢;最大軸力降幅10.9%。而系梁彎矩受矢跨比的影響較弱，系梁跨中彎矩和最大彎矩隨矢跨比增加略有降低，系梁端部彎矩則略有升高，但變化幅度很小，僅有4%左右。

隨著矢跨比增加，系梁豎向位移及吊桿力均明顯降低，當(dāng)矢跨比從0.16增加到0.24時，系梁最大位移降低了32.8%，最大吊桿力降低了11.7%，降幅均較為明顯，但其降低速度亦逐漸減緩。

總體而言，矢跨比的增加會使拱肋及系梁軸力明顯降低，系梁撓度、吊桿力減小，彎矩亦有降低，但相對較不敏感。由于隨著矢跨比增加，其對結(jié)構(gòu)受力的影響作用逐漸減弱，因此矢跨比也并非越大越好，同時，過大的矢跨比會增加材料用量，也影響結(jié)構(gòu)美觀性。矢跨比的選擇同樣需要兼顧結(jié)構(gòu)受力和經(jīng)濟(jì)美觀的要求。綜合來看，網(wǎng)狀吊桿拱橋矢跨比取值在0.2左右較為合適，但不宜小于0.18。

3 結(jié)語

采用Midas Civil建立全橋桿系模型，以設(shè)計(jì)狀態(tài)為基準(zhǔn)，選取了吊桿數(shù)量、吊桿傾角、矢跨比等結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析了拱肋及系梁關(guān)鍵截面內(nèi)力、位移以及吊桿力等指標(biāo)隨著研究參數(shù)變化的規(guī)律，主要得到了以下結(jié)論：

（1）增加吊桿數(shù)量對于結(jié)構(gòu)受力的影響主要體現(xiàn)在降低拱肋與系梁彎矩及吊桿力、提高主梁剛度，但其對結(jié)構(gòu)受力的影響程度隨吊桿數(shù)量增加而減弱;對于跨徑150 m的網(wǎng)狀吊桿拱橋，其單片拱肋吊桿數(shù)量在36～40根左右較為合適，且不宜少于32根。（2）隨著吊桿傾角增加，拱肋和系梁彎矩、系梁撓度均呈先減小后增大的趨勢，網(wǎng)狀吊桿拱橋的吊桿傾角取值在60°到65°之間最為合理。（3）矢跨比增加會使拱肋系梁及軸力明顯降低，同時系梁撓度、吊桿力減小;但隨著矢跨比增加，其對結(jié)構(gòu)受力的影響作用逐漸減弱，需要兼顧結(jié)構(gòu)受力和經(jīng)濟(jì)美觀的要求合理選取，一般可取0.2左右，但不宜小于0.18。

參考文獻(xiàn)：

[1]段書龍，鄭國華.網(wǎng)狀吊桿拱橋在大跨度重載交通中的應(yīng)用[J].工程與建設(shè)，2019，33（6）：891-893.

[2] 周浩.230 m網(wǎng)狀吊桿組合梁拱橋設(shè)計(jì)分析[J].城市道橋與防洪，2020（5）：87-90+15.