■胡安别克·祖巴依尔

（新疆交通规划勘察设计研究院有限公司，乌鲁木齐 830006）

随着城市化进展的不断加快，梁拱组合桥在城市建设中应用越来越广泛[1-2]。 近年来，国内学者也对梁拱组合体系桥进行了一些研究，主要有：邓平跃[3]、朱卫国等[4]以某城市跨路梁拱组合桥为例进行了分析，重点分析了钢管混凝土梁拱组合桥施工稳定性能，并指出了梁拱组合桥在施工过程中的薄弱环节，并针对薄弱环节提出了一些建议。 马明等[5]、石坚等[6]以某梁拱组合桥为研究对象，采用大型有限元软件模拟的方法分析了桥梁受力性能及第一类稳定性问题， 并对梁拱组合桥的拱肋刚度和夹角、横向联系形式、主梁的刚度等参数变化对梁拱组合桥内力和挠度的影响进行了分析，结果表明主拱肋刚度和横向联系是结构稳定性主要的控制因素。 宫赛[7]、彭容新等[8]以某城市桥梁为研究对象，采用Midas/Civil 有限元软件，分析了钢混拱梁组合桥在不同工况下的受力状态，结果表明温度变化对结构受力变形影响最为显著，且温度变化会使得高次超静定结构产生较大的次内力， 不利于桥梁安全。翟晓亮等[9]、陈朝慰[10]以某新月形梁拱组合体系桥为研究对象，采用数值分析的方法，对相关参数影响进行了分析，结果显示副拱肋对该梁拱组合体系桥稳定性起决定性作用，而主副拱肋夹角对该桥梁稳定性影响较小，可以忽略。 笔者以某跨河梁拱组合体系桥为研究对象，采用数值分析的方法，分析梁拱组合体系桥稳定性，并重点分析了拉索和横撑布置方式、拱肋刚度、矢跨比等因素对桥梁稳定性的影响， 研究结果可为梁拱组合体系桥的设计提供参考。

1 工程概况

某城市跨河桥梁，主跨为120 m，全长250 m，南北引桥均为2×30 m 连续梁， 主梁和拱肋分别采用钢箱梁和六边形钢箱结构。 桥面系采用双箱结构，梁宽为35.0 m，中心线处梁高3.5 m，板厚15 mm。桥梁顶板采用正交异性钢桥面板， 厚度为17 mm。桥梁主拱由两个形似V 形拱组成，钢拱肋顶和底部宽度均为1.5 m，高2.4 m，拱的高度和跨度分别为32.16 m 和108.42 m，矢跨比为1∶3.37。 设计荷载包括人群和汽车荷载，设计使用年限为100 年，结构安全等级为一级。

2 数值建模

2.1 模型建立

运用有限元软件Midas/Civil，系杆和吊杆均采用桁架进行模拟，其余结构采用梁单元进行模拟，模型中共有1263 节点，共628 个单元，如图1 所示。在此只分析考虑上部结构，对于下部结构作用不予考虑，在承载下部进行固结处理，将桥梁自重、二期恒载以及预张拉应力等施加到桥梁上。 材料参数如表1 所示。

图1 数值模型图

表1 材料参数

2.2 工况设置

桥梁在实际受力过程中，可能受到不同荷载类型的影响，共设置4 种工况，每种工况包含不同的荷载类型，其中“√”为包含、“×”为不包含，如表2所示。

表2 工况荷载类型

3 数值结果分析

3.1 梁拱组合体系桥稳定性分析

根据上述设置工况， 对桥梁稳定性进行分析，取第一阶模态对应的特征值作为梁拱组合桥的稳定性系数，图2 为4 种工况下前十阶稳定性系数。由图可知，工况一与工况二相比，在风荷载的作用下桥梁的整体稳定性有所下降，下降幅度约为3.2%；将工况二与工况三进行比较，得到在全桥人群荷载和车道荷载作用下， 桥梁整体稳定性又下降了22.8%，由此可知，相比于风荷载，桥梁受人群荷载和车道荷载影响更大。 将工况三和工况四进行对比，可知工况四时桥梁稳定性增大了4.7%，说明全桥满布比半布稳定性差，但相差不大。

图2 4 种工况下前十阶稳定性系数

3.2 影响因素分析

为了得到各种因素对桥梁稳定重要性及敏感程度，对上述4 种工况分别建模，重点分析了拉索布置方式、横撑布置方式、拱肋刚度以及矢跨比对梁拱组合桥稳定性影响规律。

3.2.1 拉索布置方式影响

图4 为4 种工况下桥梁稳定系数随拉索着力点移动变化规律图， 设定原始拉索着力点为编号3（如图3 所示），向右移动为正，反之为负。 由图4 可知，随着拉索着力点的变化，工况一～工况四的变化规律一致，且工况一、工况二、工况四和工况三的稳定性依次减小。 拉索着力点向左（远离两拱肋相交处方向）移动时，桥梁整体稳定性逐渐减小，拉索着力点向右（两拱肋相交处方向）移动时，桥梁整体稳定性呈现出增大的趋势，在拉索着力点移动到编号5～6 范围内时，桥梁稳定系数最大，稳定性能最佳。

图3 拉索编号示意图

图4 4 种工况下桥梁稳定系数随拉索着力点移动变化图

图5 为4 种工况下桥梁稳定系数随拉索间距移动变化规律图，间距以图3 底部拉索间距变化为准， 分别取原始间距的0.5、0.75、1.0、1.25、1.5 倍进行分析。 由图5 可知，随着拉索着力点的变化，工况一～工况四的变化规律一致，拉索间距越小，桥梁稳定系数越大，说明减小桥梁拉索间距可以增大桥梁稳定性， 但同时应考虑拉索增加带来的成本上升，并根据具体工程合理设计拉索间距。

图5 4 种工况下桥梁稳定系数随拉索间距变化图

3.2.2 横撑布置方式影响

图6 为横撑编号示意图， 从左往右共11 条横撑。首先考虑单一支撑对桥梁稳定性的影响，如图7所示，以工况二为例进行分析，得到了桥梁稳定系数随横撑位置编号变化规律图，由图可知，当单一横撑设置在编号8 时，桥梁稳定系数最大，值为23.78，横撑设置在两端时桥梁稳定系数最差。由此可知，单一横撑设置在桥梁拱顶略偏向两拱相交一侧时桥梁稳定性最好，设置在拱脚时桥梁稳定性最差。

图6 横撑编号示意图

图7 桥梁稳定系数随横撑位置编号变化规律图

考虑多种横撑布置方式的组合，同样以工况二为例分析，根据图7 得到的结论，制定如下的横撑组合方式，共分为11 种工况，工况序号依次为A～K，具体如表3、图8 所示。 由图8 可知，当采用双支撑时，设置在编号8 和9 时桥梁稳定性最好，当采用三支撑时，设置在编号7、8 和9 时能使全桥稳定性最高，此时桥梁稳定系数为27.31，是单一横撑最优设置时的1.15 倍。 且图7 表明，不能再通过增加横撑的方式提高桥梁的稳定性，在此基础上，增加横撑不仅不能增加稳定性，反而会使桥梁的整体稳定性下降。 究其原因，主要是异形桥梁重心均经过专业的设计验算，且该“V 形拱”拱桥自身具有较好的稳定性，在合适的位置设置一定数量的横撑可以增加桥梁的稳定性，但当增加横撑的数量继续增大或增加的横撑设置位置不合理时，横撑自身重量可能会对桥梁产生不可忽略的影响，从而导致桥梁整体稳定性下降。

图8 桥梁稳定系数随横撑工况变化规律图

表3 工况横撑布置方式

3.2.3 拱肋刚度的影响

钢材的刚度与截面形式相关，本节通过改变拱肋的厚度来分析拱肋刚度变化对桥梁稳定性的影响。 以工况二为例分析，得到桥梁稳定性系数随拱肋钢板厚度变化规律，由图9 可知，一阶、二阶和三阶稳定系数随钢板厚度增大而增大，且变化规律一致，均呈现出类似线性增长关系，以一阶稳定系数为例，相比于拱肋钢板厚度取30 mm 时，钢板厚度取70 mm 时桥梁稳定系数增大了约67%。

图9 桥梁稳定性系数随拱肋钢板厚度变化规律

3.2.4 矢跨比的影响

矢跨比是决定桥梁拱形形状的重要参数之一，设定原始模型矢跨比倍数1，计算得到了4 种工况下不同矢跨比倍数的桥梁稳定性系数， 如图10 所示。 由图可知，原模型的矢跨比最为合适，在原模型基础上增大或减小矢跨比均会导致桥梁稳定性降低，因此，在设计类似桥梁前应考虑合理的矢跨比，使得桥梁稳定性达到最优。

图10 桥梁稳定性系数随矢跨比倍数变化规律

4 结论

以某跨河梁拱组合体系桥为研究对象，采用数值分析的方法，探讨梁拱组合体系桥稳定性并重点分析了拉索和横撑布置方式、拱肋刚度、矢跨比等因素对桥梁稳定性的影响，得到以下结论：（1）相比于风荷载， 桥梁受人群荷载和车道荷载影响更大，且全桥满布人群荷载和车道荷载比半布稳定性差，但相差不大。 （2）拉索着力点桥梁两拱肋相交处方向移动时，桥梁整体稳定性呈增大趋势，反之减小；在拉索着力点移动到编号5～6 范围内时，桥梁稳定性能最佳； 减小桥梁拉索间距可以增大桥梁稳定性，但同时应该考虑拉索增加带来的成本上升，并根据具体工程合理设计拉索间距。 （3）单一横撑设置在桥梁拱顶略偏向两拱相交一侧时桥梁稳定性最好，设置在拱脚时桥梁稳定性最差。 当采用双支撑时，设置在编号8 和9 时桥梁稳定性最好，当采用三支撑时，设置在编号7、8 和9 时能使全桥稳定性最高，且不能再通过增加横撑的方式提高桥梁的稳定性。（4）桥梁稳定系数随拱肋刚度增大而增大，呈现出类似线性增长的关系，相比于拱肋钢板厚度取30 mm时，钢板厚度取70 mm 时桥梁一阶稳定系数增大了约67%。 （5）在原矢跨比的基础上增大或减小矢跨比均会导致桥梁稳定性降低，在设计前应考虑合理的桥梁矢跨比，使其稳定性达到最优。