中承式鋼箱拱橋拱肋關(guān)鍵參數(shù)影響分析

中圖分類號(hào)：U448.22文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.040

文章編號(hào)：1673-4874（2025）01-0134-04

0 引言

中承式拱橋是一種常見(jiàn)的橋型，其跨越能力大、受力性能好、景觀效果佳，受到橋梁建設(shè)者的青睞，尤其在橋梁建筑高度受限的城市拱橋建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛[1-3]。

中承式鋼箱拱橋采用鋼箱截面作為拱肋，相比其他截面形式的拱肋，具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、易加工、施工速度更快、施工質(zhì)量更好控制的特點(diǎn)，且景觀效果最佳，但由于拱肋用鋼量相對(duì)較大，故其造價(jià)相對(duì)較高[4-8]。因此，合理的拱肋設(shè)計(jì)參數(shù)，不僅能使鋼箱拱肋受力性能更佳，而且經(jīng)濟(jì)性能更好。為此，有必要對(duì)拱肋設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行影響性分析，研究拱肋受力與變形受力設(shè)計(jì)參數(shù)間的影響規(guī)律，從而更好地指導(dǎo)參數(shù)設(shè)計(jì)。

本文在總結(jié)中承式鋼箱拱橋拱肋設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析了拱肋幾個(gè)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)拱肋受力與變形的影響。

1工程概況

背景工程為某城市 4×30m+276m+4×30 m中承式鋼箱拱橋，主橋凈跨為 246m ，矢跨比為1/4.0，拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)采用1.2，橫橋向總寬21m，外側(cè)設(shè)置人行道；吊索順橋向間距 12m ，共16對(duì)。其主橋橋型立面布置如圖1所示。

拱肋采用等截面鋼箱截面，上下游拱肋橫橋向間距 ，采用Q355qD鋼，截面高 寬 2.2m ，板≡3.0（m

2有限元模型

為對(duì)背景工程拱肋進(jìn)行參數(shù)影響性分析，依據(jù)背景工程施工圖，采用MidasCivil2022軟件建立主橋整體有限元模型（如圖2所示），共計(jì)節(jié)點(diǎn)903個(gè)、單元1304個(gè)。

有限元模型中拱肋、橫撐、橋面系（鋼格子梁）拱上立柱采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬；吊索長(zhǎng)度相對(duì)較短，非線性相對(duì)不強(qiáng)，采用桁架單元模擬。

3拱軸線形對(duì)拱肋的影響分析

拱肋作為拱橋承載的核心受力構(gòu)件，往往以受壓為主，一般為偏小受壓構(gòu)件。合理的拱軸線形能保證拱肋在恒載作用下彎矩最小，截面基本處于良好的受壓狀態(tài)（即拱肋軸向壓力線與拱軸線基本重合），且截面壓應(yīng)力越均勻，結(jié)構(gòu)受力性能更好。因此，選取拋物線、懸鏈線（拱軸系數(shù)不同的3條懸鏈線）圓弧線3類共5條拱軸線形，進(jìn)行恒載作用下拱軸線形對(duì)拱肋的影響進(jìn)行分析。

3.1拱軸線形對(duì)拱肋應(yīng)力的影響

通過(guò)橋梁有限元軟件的分析計(jì)算，求得拱肋拱腳截面、1/8截面、1/4截面、3/8截面、拱頂截面共5個(gè)關(guān)鍵截面應(yīng)力（上下緣）如表1、表2所示。

由表1表2計(jì)算結(jié)果可知，從截面應(yīng)力大小、上下緣應(yīng)力差值及截面順橋向應(yīng)力差值三個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析，圓弧線形拱肋受力最為不利，其上下緣應(yīng)力差值最大，達(dá)113 MPa （拱腳位置），所有截面順橋向應(yīng)力差值也非常大，最大達(dá)92 （上緣），相比圓弧線形拱肋，拋物線與懸鏈線形拱肋截面應(yīng)力相對(duì)較小，均勻性相對(duì)更佳。

進(jìn)一步分析可知，懸鏈線形拱肋截面應(yīng)力隨拱軸系數(shù) m 的增大截面受力性能逐漸變差，即拱軸系數(shù)越小，其截面受力更有利，拋物線形拱肋受力與 m=1.2 的懸鏈線相當(dāng)。因此，從拱肋截面受力方面考慮，中承式鋼箱拱橋宜選擇拱軸系數(shù)較小的懸鏈線或拋物線作為其合理拱軸線。

3.2拱軸線形對(duì)拱肋變形的影響

通過(guò)分析計(jì)算，拱肋豎向變形如圖3所示。

表3不同矢跨比下拱肋關(guān)鍵截面上緣應(yīng)力表單位： MPa

由表3、表4計(jì)算結(jié)果分析可知，隨著矢跨比的逐漸減小，拱肋截面上下緣應(yīng)力逐漸增大，呈負(fù)相關(guān)變化。

4.2矢跨比對(duì)拱肋變形的影響

通過(guò)分析計(jì)算，拱肋豎向變形如圖4所示。

由圖3可知，拱肋在拱腳及梁拱連接處豎向位移為零，在跨中處最大。其中，拋物線拱肋豎向位移最小，圓弧線形豎向位移最大，懸鏈線拱軸系數(shù) m 越大，其豎向位移越大。

綜合以上分析可知，中承式鋼箱拱橋拱肋受力與變形受拱軸線形影響較大，實(shí)際設(shè)計(jì)中可考慮選擇拋物線（或拱軸系數(shù)較小的懸鏈線）。

4矢跨比對(duì)拱肋的影響分析

矢跨比是拱肋設(shè)計(jì)的核心參數(shù)，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行多組矢跨比的比選。選取5組常見(jiàn)矢跨比，進(jìn)行恒載作用下矢跨比對(duì)拱肋的影響分析。

4.1矢跨比對(duì)拱肋應(yīng)力的影響

通過(guò)橋梁有限元軟件的分析計(jì)算，求得不同矢跨比下拱肋拱腳截面、1/8截面、1/4截面、3/8截面、拱頂截面共5個(gè)關(guān)鍵截面應(yīng)力（上下緣）如表3、表4所示。

由圖4可知，隨著矢跨比逐漸減小，拱肋豎向位移逐漸增大，跨中位移最大。矢跨比為 1/4.0 時(shí)其跨中最大位移達(dá)到 52m m ，矢跨比為1/7.0時(shí)其跨中最大位移達(dá)到 ，即矢跨比由 1/4.0 降到 1/7.0 時(shí)，其拱肋豎向位移增大近3倍，增幅為 200% 。

綜合以上分析可知，矢跨比對(duì)中承式鋼箱拱橋拱肋受力與變形影響非常大。過(guò)小的矢跨比拱肋不僅受力與變形無(wú)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也影響中承式鋼箱拱橋的美觀，且建筑高度更受限，但過(guò)大的矢跨比使鋼箱拱肋加工更加困難，施工更為不利，因此中承式鋼箱拱橋矢跨比宜選 1/4.0。

5拱肋傾角對(duì)拱肋的影響分析

中承式鋼箱拱橋設(shè)計(jì)時(shí)，為了景觀效果拱肋會(huì)選擇往外傾斜一定角度；為提高其整體穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)選擇往內(nèi)傾斜一定角度，形成提籃拱形式。不同傾斜角度對(duì)其拱肋受力與變形的影響不同，選取5組拱肋傾斜角度，進(jìn)行恒載作用下拱肋傾角對(duì)拱肋的影響分析。

5.1拱肋傾角對(duì)拱肋應(yīng)力的影響

通過(guò)橋梁有限元軟件的分析計(jì)算，求得不同拱肋傾角下拱肋拱腳截面、1/8截面、1/4截面、3/8截面、拱頂截面共5個(gè)關(guān)鍵截面應(yīng)力（上下緣）如表5、表6所示。

由表5、表6計(jì)算結(jié)果分析可知，拱肋傾角對(duì)拱腳截面應(yīng)力的影響最小，對(duì)拱頂截面應(yīng)力影響最大，且越靠近拱頂，截面應(yīng)力影響越大。此外，拱肋傾角越大，對(duì)截面應(yīng)力影響越大?？梢?jiàn)，拱肋傾角對(duì)拱肋受力影響相對(duì)較大，尤其是對(duì)拱頂受力的影響。

5.2拱肋傾角對(duì)拱肋變形的影響

通過(guò)分析計(jì)算，拱肋豎向變形如圖5所示。

由圖5可知，拱肋豎向位移隨拱肋傾角變化的幅度非常小，即拱肋傾角對(duì)拱肋豎向變形影響相對(duì)不大。

綜合以上分析可知，拱肋傾角對(duì)拱肋受力的影響相對(duì)較大，尤其對(duì)拱頂受力的影響。因此，中承式鋼箱拱橋設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)控制拱肋傾角大小，并加強(qiáng)拱頂設(shè)計(jì)。

6拱肋高度對(duì)拱肋的影響分析

拱肋高度也是拱肋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，不同拱肋高度下拱肋受力與變形也不同。選取5組拱肋高度，進(jìn)行恒載作用下拱肋高度對(duì)拱肋的影響分析。

6.1拱肋高度對(duì)拱肋應(yīng)力的影響

通過(guò)橋梁有限元軟件的分析計(jì)算，求得不同拱肋高度下拱肋拱腳截面、1/8截面、1/4截面、3/8截面、拱頂截面共5個(gè)關(guān)鍵截面應(yīng)力（上下緣）如表7表8所示。

表7不同拱肋高度下拱肋關(guān)鍵截面上緣應(yīng)力表

單位： MPa單位：MPa

由表7、表8計(jì)算結(jié)果分析可知，拱肋截面應(yīng)力隨拱肋高度增大而減小，變化幅值相對(duì)較大，可見(jiàn)拱肋受力受拱肋高度影響相對(duì)較大。但拱肋高度過(guò)高，造價(jià)更高，經(jīng)濟(jì)性差，且重量更重，拱肋節(jié)段運(yùn)輸與吊裝施工難度更大。

6.2拱肋高度對(duì)拱肋變形的影響

通過(guò)分析計(jì)算，拱肋豎向變形如圖6所示。

由圖6可知，拱肋跨中位移最大，且隨著拱肋高度的逐漸增大，其豎向位移逐漸減少，整體變化幅度相對(duì)較大，可見(jiàn)拱肋受力受拱肋高度的影響相對(duì)較大。

綜合以上分析可知，拱肋高度對(duì)拱肋受力與變形的影響均相對(duì)較大，因此實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)宜選取合適的拱肋高度。

7結(jié)語(yǔ)

本文以背景工程為研究基礎(chǔ)，分析了不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)中承式鋼箱拱橋拱肋受力與變形的影響大小，主要結(jié)論如下：

（1）拱軸線形為中承式鋼箱拱橋拱肋關(guān)鍵影響參數(shù)，宜選擇拋物線（或拱軸系數(shù)較小的懸鏈線）。

（2）矢跨比為中承式鋼箱拱橋拱肋核心影響參數(shù)，合適的數(shù)值為

（3）拱肋傾角為中承式鋼箱拱橋拱肋的重要影響參數(shù)，尤其對(duì)拱頂受力的影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)控制拱肋傾角大小，并加強(qiáng)拱頂設(shè)計(jì)。

（4）拱肋高度為中承式鋼箱拱橋拱肋的重要影響參數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合經(jīng)濟(jì)性選擇合適的高度。

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