陆成克

【摘要：】文章以某钢桁架拱桥为研究背景，借助Midas Civil有限元软件建立拱桥的实桥模型，探讨吊杆刚度对钢桁架拱桥结构静力特性的影响，得到以下结论：（1）钢桁架拱桥主梁结构仅上缘最大压应力随着吊杆刚度的增大而逐渐增大，其余应力以及其主梁变形均随之逐渐减小，吊杆刚度过大不能明显增加主梁应力储备，但能有效抑制主梁结构的下挠;（2）拱肋结构仅下弦杆拱脚截面处应力受吊杆刚度影响较大，拱肋各关键截面竖向位移均随着吊杆刚度的增大呈小幅增大趋势;（3）吊杆拱顶截面处的索力随着吊杆刚度的增大而逐渐减小，其余吊杆索力逐渐增大，吊杆刚度变化对拱梁相交处吊杆索力的影响大于跨中处。

【关键词：】钢桁架拱桥;吊杆刚度;主梁;拱肋;应力;位移

U448.22+4A481603

0 引言

拱桥因造型美观、坚固耐用等优点在桥梁发展史上一直占据着重要地位[1]。钢桁架拱桥是拱桥中的一种，其具有重量轻、体积小、刚度大、受力性能好的优点，因此在大跨度桥梁建设上尤其是地震烈度较大或风速较强的地区备受欢迎[2-3]。

考虑到吊杆刚度是钢桁架拱桥设计中的主要参数之一，其对桥梁结构的受力稳定与变形极其重要[4-6]。近年来，国内外桥梁学者虽在钢桁架拱桥方面进行了不少研究，但在关于吊杆刚度对钢桁架拱桥静力特性影响方面仍缺乏系统的研究[7-8]。基于此，本文借助Midas Civil有限元分析软件，以某钢桁架拱桥为背景建立实桥模型，通过改变模型内吊杆刚度的大小，分别对不同吊杆刚度情形下的钢桁架拱桥展开静力特性分析，旨在为钢桁架拱桥的设计提供参考依据。

1 工程背景

本文以某下承式钢桁架拱桥为研究背景，其主桥跨径布置为（22+106+22）m，桥面宽度为38 m，荷载等级为城市-A级，布置双向六车道，设计车速为60 km/h。该下承式钢桁架拱橋的拱轴线上弦杆采用圆弧线与2次抛物线，下弦杆采用2次抛物线，拱顶桁架高度为3.5 m，下拱肋矢高为19.27 m，矢跨比为1/5.5。该拱桥立面布置情况如图1所示。

2 有限元模型的建立

通过采用Midas Civil软件建立钢桁架拱桥的有限元实桥数值模型，在建模过程中拱桥的主次纵梁、横梁、桁架拱、风撑等构件都采用梁单元模拟，桥面板、吊索部分则分别采用板单元、桁架单元模拟。实桥模型一共有1 800个梁单元、700个板单元、40个桁架单元。实桥有限元数值模型如图2所示。模型在顺桥向拱脚处一端设置固定支座，另一端设置滑动支座。计算荷载为恒载（自重、二期恒载）、活载（城-A荷载、人群荷载）、支座不均匀沉降、风荷载和温度荷载等。

3 吊杆刚度对钢桁架拱桥结构静力特性的影响

吊杆作为钢桁架拱桥的主要受力构件，其刚度的大小影响着整个桥梁结构的稳定性。考虑到拱桥构件刚度主要由材料的弹性模量E决定，本文结合单一变量原则，将吊杆弹性模量E视为控制变量，模拟了四种吊杆刚度分别为0.5 EI、EI、1.5 EI、2 EI，探讨不同吊杆刚度EI对钢桁架拱桥静力特性的影响。

3.1 吊杆刚度对主梁应力、变形的影响分析

通过对不同吊杆刚度情形下的主梁结构进行静力分析，分别得到承载能力极限状态下的主梁上、下缘最大应力和正常使用极限状态下的主梁竖向位移试验结果，如表1和表2所示。

由表1、表2和有限元计算结果可知，主梁上、下缘的最大拉应力分别出现于下弦杆拱脚处和主梁跨中处，最大压应力分别出现于边跨跨中处与下弦杆拱脚处。当吊杆刚度增大，主梁结构仅上缘最大压应力略微增大，而主梁结构的其他应力则均随之减小，原因是上缘最大压应力出现于边跨处;主梁应力在吊杆刚度达到EI后的变幅均不明显，说明刚度过大并不能有效增加主梁应力储备。主梁最大竖向位移值出现于跨中截面处，随着吊杆刚度的增大，主梁竖向位移值逐渐减小，说明吊杆刚度增大能够有效抑制主梁结构的下挠。

3.2 吊杆刚度对拱肋应力、变形的影响分析

通过对不同吊杆刚度情形下的拱肋结构进行静力特性分析，分别得到承载能力极限状态下的拱肋各关键截面的最大应力和正常使用极限状态下的拱肋竖向位移试验结果，如表3、表4所示。由于拱肋沿纵向与横向均为轴对称，本文仅选取拱肋右侧为研究对象。

根据表3、表4与有限元计算结果可知，随着吊杆刚度的增大，拱肋上弦杆拱脚截面、1/4截面、3/8截面的应力逐渐增大，1/8截面的应力逐渐减小，而1/2截面的应力呈先增大后减小趋势;拱肋下弦杆1/8截面、1/4截面、3/8截面、1/2截面的应力均随着吊杆刚度的增大逐渐增大，仅拱脚截面应力随之逐渐减小;吊杆刚度变化对拱肋下弦杆拱脚截面的应力产生了较大影响，但其余各关键截面的影响不明显。拱肋的最大竖向位移出现于上弦杆拱顶截面处，随着吊杆刚度的增大，拱肋各关键截面竖向位移均逐渐增大，但增量均没有>0.4 cm，说明吊杆刚度对拱肋竖向位移的影响可以忽略。

3.3 吊杆刚度对吊杆索力的影响分析

考虑到吊杆沿纵向与横向均为轴对称，本文选取其中的D1～D8吊杆为研究对象，通过对不同吊杆刚度情形下的吊杆结构展开静力分析，得到吊杆结构的索力变化结果如表5所示。

由表5可知，D1～D7吊杆的索力随着吊杆刚度的增大逐渐增大，而拱顶截面处的D8吊杆索力则随之逐渐减小。其中D1～D4吊杆的索力变化幅度较大，D5～D8吊杆的索力变化幅度较小，说明吊杆刚度变化对拱梁相交处附近的吊杆索力产生了较大的影响，而跨中处附近的吊杆索力受其影响较小。

4 结语

本文依托某钢桁架拱桥为研究背景，通过采用有限元软件建立实桥模型，探讨了不同吊杆刚度对钢桁架拱桥结构静力特性的影响，主要得到以下结论：

（1）主梁上缘、下缘的最大拉应力和下缘最大压应力均随着吊杆刚度的增大逐渐减小，主梁上缘最大压应力则随之略微增大;吊杆刚度过大不能有效增加主梁应力储备;主梁竖向位移随着吊杆刚度的增大逐渐减小，吊杆刚度增大能有效抑制主梁结构的下挠。

（2）吊杆刚度变化对拱肋下弦杆拱脚截面的应力产生了较大影响，但其余各关键截面的影响不明显;随着吊杆刚度的增大，拱肋各关键截面竖向位移均呈小幅增大趋势，吊杆刚度变化对拱肋竖向位移的影响可忽略不计。

（3）随着吊杆刚度的增大，吊杆仅拱顶截面处的索力逐渐减小，其余吊杆索力随之逐渐增大，吊杆刚度变化对拱梁相交处附近的吊杆索力产生了较大的影响，而对跨中处附近影响则较小。

参考文献：

[1]孔丹丹，于晓坤，郝向炜，等.杆件局部失稳对钢桁架拱桥整体稳定性的影响[J].东北林业大学学报，202 49（7）：116-121.

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[3]余 浩，阮 杰.纵向预应力对下承式组合桥面系钢桁架拱桥受力性能的影响研究[J].城市道桥与防洪，2020（9）：175-178，22.

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