刘瑶，邹德强，李伟东

（中国建筑第五工程局有限公司，湖南 长沙 410004）

拱桥将拱与梁两种基本结构形式组合在一起，共同承受荷载，充分发挥梁受弯、拱受压的结构性能和组合作用。同时，拱桥具有很高的美学特性，在现代桥梁中占有很重要的地位。

提篮拱，通常是将拱肋向桥轴线方向倾斜，甚至在拱顶合拢而形成的一种拱式结构。目前，我国大多数拱桥采用平行竖吊杆，拱肋与主梁面内垂直，提篮拱结构设计的较少。因此，研究提篮拱的空间受力特征具有十分重要的意义。

本文以某提篮拱桥为例，建立了考虑拱肋-横撑-吊杆-纵梁-桥面一体化有限元模型，分析主拱、横撑、吊杆、纵梁、横梁、桥面等结构受力情况，为今后提篮拱桥设计提供参考。

1 有限元模拟建立

选取某50m 跨径系杆提篮拱桥，拱肋与桥面倾角为75°，主梁采用纵横梁结构体系，上铺桥面板厚度为0.15m，拱肋截面尺寸为1.1×1.2m，拱肋之间采用三根横撑连接，吊杆直径为0.016m。本文利用Midas Civil 2019 有限元分析软件进行计算，拱肋、主梁、桥墩采用梁单元模拟，桥面板采用板单元模拟，系杆采用桁架单元模拟。

本文建立的有限元空间模型如图1 所示。

图1 提篮拱桥有限元模型

2 结构受力分析

2.1 纵、横梁结构受力

纵梁、横梁直接承受来自桥面板传递的荷载，在恒载+

活载作用下，结构弯矩包络图如图2 所示。

图2 纵（上）、横梁（下）弯矩包络图（kN·m）

由于吊杆的拉力作用，将原纵梁简支结构转换为弹性支点梁，纵梁结构弯矩较为平稳，恒载+活载作用下，弯矩最大值为419.4kN·m，最小弯矩为160.8kN·m；除端横梁外（端横梁计算详见后文），其余横梁结构弯矩形状与数值基本相同，最大弯矩位于车道荷载下方，数值为301.2kN·m，最小弯矩位于横梁端部，数值为129.0kN·m。

2.2 主拱结构

拱肋是桥梁的主要受力结构，主要承担吊杆传递的桥梁自重及汽车活载。主拱结构轴力、弯矩图如图3a、图3b、图3c 所示。

图3

由图3a 可知，拱肋承受较大轴向压力，最大轴力位于拱脚位置，数值为3436.2kN（压力），最小轴力位于跨中位置，数值为2574.4kN（压力）。

由图3b 可知，拱肋最大剪力位于拱脚位置，数值为206.4kN，设计过程中，建议对拱脚位置箍筋进行加密处理。

由图3c 可知，拱肋在恒载+活载作用下截面最大正弯矩为506.9kN·m，最大负弯矩为466.9kN·m，最大值均位于拱脚位置。

由图3a)、b)、c)可知，拱肋在承受较大的轴力同时，也承受一定的剪力与弯矩。设计过程中，应优化调整矢跨比，尽量减少拱肋偏心受压对结构强度、稳定性造成的不利的影响。

2.3 横撑结构

横撑结构将两侧主拱连接，主要起横向稳定作用。

由图4 可知，在恒载+活载作用下，跨中位置横撑轴向拉力最大值为58.1kN，轴力压力最大值为19.7kN。另两根横撑拉力最大值为31.7kN，最大压力值为158.7 kN。

图4 恒载+活载作用下轴力包络图

2.4 吊杆

本次吊杆采用仅受拉桁架单元模拟，吊杆在恒载、活载作用下结构受力情况如图5a、5b 所示。

图5

恒载作用下，吊杆最大拉应力位于1/4 位置，数值为796.7MPa；最小拉应力位于梁端位置，数值为686.2MPa。

活载作用下，吊杆最大拉应力位于1/4 位置，数值为240.7MPa；最小拉应力位于1/2 跨中位置，数值为170.2MPa。

吊杆在拱桥体系中起到承上启下的连接作用。本次吊杆采用高强钢丝制作而成，为了保证桥梁的正常运营，需要定期对吊杆检修与养护，同时，设计过程中，也要考虑一定程度的安全系数富余。

2.5 端横梁

主拱与主梁刚性连接，端横梁承受较大弯矩。弯矩图如图6 所示。最大弯矩位于桥梁对称中心线位置，数值为501.1kN·m。端横梁相对于其他横梁来说，数值约为其他横梁的166.4%，设计过程中，需要对端横梁进行加强处理。

图6 端横梁弯矩图（kN·m）

3 结语

本文分析了提篮拱系杆拱桥纵横梁、拱肋、吊杆等结构受力情况，为今后提篮拱设计提供一定参考。得到以下主要结论：

（1）由于吊杆作用，主梁弯矩沿顺桥向变化较为平缓，最大值为419.4kN·m。

（2）主拱为拱桥的主要受力结构，承受较大轴向压力。故设计中常采用钢筋混凝土材料或钢管混凝土材料。主拱最大轴力位于拱脚位置，数值为3436.2kN，设计中，应加强对拱脚位置的强度计算。

（3）吊杆主要承受主梁的荷载，最大拉应力为796.7MPa。为了保证运营过程中的安全，设计中，应考虑一定程度安全系数的富余。

（4）相比桥梁跨中中部横梁，端部横梁承受较大弯矩，需进行强化设计。