大跨钢管混凝土桁架拱桥受力分析与研究-中国期刊网

大跨钢管混凝土桁架拱桥受力分析与研究

王波

中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100097

摘要：苏龙珠黄河特大桥上构为上承式钢管混凝土桁架拱桥，主拱圈采用等剖面的悬链线，桥面板采用钢筋混凝土π型板梁，拱桥空间结构复杂，采用MIDAS CIVIL 2019对主桥总体计算、静力稳定屈曲分析和抗震计算分析，计算结果满足要求。主桥不设置预拱度，通过立柱高度调整下挠。

关键词：上承式钢管混凝土拱桥，拱肋，立柱，静力稳定，抗震

拱桥拥有古典而优美的形式，在我国的建造历史悠久。由于我国经济建设的快速发展及桥梁建设技术的进步，具有自重轻、强度高、塑形好、耐疲劳等优点的钢管混凝土拱桥得到快速发展，大规模应用在我国桥梁建设当中，为拱桥建设发展注入了新的活力。钢管混凝土桁架拱桥以其较好的整体性及横向稳定性，成为了地质条件较好的山区峡谷地区有较强竞争力的桥型。

钢管混凝土桁架上承式拱桥空间结构复杂，本文以我司设计的青海省循化至隆务峡段高速公路的重点控制性工程苏龙珠黄河特大桥为工程背景，使用MIDAS CIVIL 2019建立有限元模型，对该桥进行总体计算、静力稳定屈曲分析和抗震计算分析。

1 工程概况

苏龙珠黄河特大桥为西北地区跨径最大的上承式钢管混凝土拱桥，主桥净跨为220m，净矢高40m，净矢跨比40/220=1/5.5，主拱圈采用拱轴系数为2.2的悬链线。

1.1拱肋

拱肋由两片钢管混凝土桁架构成，桁架间距8.6m，每片钢管桁架拱肋由4根φ850mm钢管构成,高4.5m，宽2.35m，横向由φ400mm钢管连接两根主钢管，竖向采用φ400×10mm钢管连接。主拱肋上弦钢管壁厚依次为：跨中44m区段间采用φ850×24mm钢管，紧接相邻28m区段间采用φ850×18mm钢管，再紧接相邻38m区段间采用φ850×14mm钢管，再紧接相邻12m区段间采用φ850×18mm钢管，剩余拱脚区段采用φ850×24mm钢管。主拱肋下弦钢管壁厚依次为：跨中132m区段间采用φ850×14mm钢管，紧接相邻26m区段间采用φ850×18mm钢管，剩余拱脚区段采用φ850×24mm钢管，主拱肋钢管灌注自密实微膨胀C50混凝土。主桥不设置预拱度，通过立柱高度调整下挠。

1.2横向联系

设置19道横撑在两拱肋之间，以保证拱肋横向稳定。横撑主管采用φ400x10mm钢管，腹管采用φ350x10mm钢管。

1.3立柱

拱上立柱采用钢管混凝土，较高的1、19号立柱钢管截面采用φ1300x18mm，2、18号立柱钢管截面采用φ1100x14mm，3～4号、16～17号立柱钢管截面采用φ1000x14mm，其它立柱钢管截面采用φ800x12mm，7～13号立柱钢管内不灌注自密实微膨胀C50混凝土，其余均灌注自密实微膨胀C50混凝土。对于较高的1～5、15～19号立柱之间横桥向设置横撑，主管采用φ400x10mm钢管。

1.4桥面板

主桥行车道系采用12m跨钢筋混凝土π型板梁，板高80cm，肋宽34～40cm，每幅横向采用4片布置，桥面铺装整体设置。主拱立柱1#～6#、14#～19#上的盖梁与桥面板固结，其余不固结。

2有限元模型建立

本桥使用有限元程序MIDAS CIVIL 2019软件，建立空间有限元模型，主桥离散为4243个单元，2228个节点。主梁、立柱和拱肋均采用空间梁单元模拟，成桥状态计算图式见图1。边界条件:拱脚处固结；拱上立柱7#～10#与桥面板采用弹性约束模拟板式橡胶支座；拱上立柱1#～6#与桥面板纵向、横向及竖向均约束；桥面板梁端纵向放松，横向及竖向均约束。

图1 主桥计算模型

3结构总体计算

3.1竖向刚度

图2主拱活载竖向最大位移（mm）：Max=30.91mm图3 主拱活载竖向最小位移（mm）：Min=-43.1mm

经计算得知，四分点活载挠跨比：（31+43）/220000=1/2972＜[f/L]=1/800，挠跨比满足要求。

跨中活载挠跨比：（11+36）/220000=1/4680＜[f/L]=1/800，挠跨比满足要求。

3.2内力及应力

经计算得知，各工况下钢管的最大应力219Mpa＜规范容许值210Mpa；混凝土的最大应力16Mpa＜规范容许值0.5fck=0.5×32.4＝16.2Mpa，满足规范要求。

4静力稳定屈曲分析

对主桥成桥状态的全桥静力稳定进行分析，其一阶面内面外稳定安全系数8.5，大于规范规定的全桥总体稳定安全系数4。

5抗震计算分析

5.1抗震设防标准及抗震性能目标的确定

主桥的抗震设防，先要确定抗震设防标准，依据桥址区的地震环境，近场区的断裂情况及桥址区的地震地质条件，加之主桥是大跨度桥梁，是生命线工程，设计时制定主桥抗震设防标准如表1。

抗震设防标准	构件类别	结构性能要求	受力状态	验算准则
E1地震作用	立柱、拱肋	无损伤	保持弹性状态
E1地震作用	支座	无损伤	正常工作	满足位移及承载力要求
E2地震作用	立柱、拱肋柱	损伤可修	可接近屈服
E2地震作用	支座	一定的残余变形	进入塑性	满足位移要求

5.2主桥结构动力特性

主桥成桥状态下的动力特性见表2，对应的振型图见图4～9。

模态	振型主要特性	自振频率 f（Hz）	自振周期 T（s）
1	主梁横弯	0.3034	3.2962
2	全桥纵漂	0.4268	2.3432
3	主梁横弯	0.7533	1.3275
4	主梁竖弯	0.7597	1.3163
5	主梁竖弯	1.0384	0.9630
6	主梁扭转	1.2514	0.7991

图4成桥状态振型图：Mode 1图5成桥状态振型图：Mode 2

图6成桥状态振型图：Mode 3图7成桥状态振型图：Mode 4

图8成桥状态振型图：Mode 5图9成桥状态振型图：Mode 6

5.3主桥结构抗震验算

主桥立柱分成四类，分别是：立柱1（D=1.3m，t=0.018m）、立柱2（D=1.0m，t=0.014）、立柱3（D=0.8m，t=0.012m）、立柱4（D=0.8m，t=0.012m）。拱脚处拱肋为（D=0.85m，t=0.024m）。主桥抗震采用反应谱计算结果进行验算。

5.3.1E1抗震检算

E1地震作用下，结构校核目标是立柱和拱肋在弹性范围内工作，其地震反应小于初始屈服弯矩。

组合工况	墩号	位置	最小轴力P(kN)	弯矩M (kN·m)	初始屈服弯矩M(kN·m)	安全系数
恒载±(纵向地震作用)	立柱1	立柱顶	1082	855	8871	10.38
	立柱1	立柱底	2435	285	9311	32.70
	立柱2	立柱顶	921	1252	4147	3.31
	立柱2	立柱底	1264	407	4233	10.40
	立柱3	立柱顶	905	2088	2313	1.11
	立柱3	立柱底	1019	784	2336	2.98
	立柱4	立柱底	909	1450	1819	1.25
	拱肋	拱脚处	6497	783	5123	6.55
恒载±(横向地震作用)	立柱1	立柱顶	1030	564	8847	15.69
	立柱1	立柱底	1882	160	9129	56.96
	立柱2	立柱顶	971	116	4157	35.87
	立柱2	立柱底	1195	60	4213	70.62
	立柱3	立柱顶	960	172	2323	13.50
	立柱3	立柱底	1032	38	2338	61.46
	立柱4	立柱顶	887	378	1825	4.83
	立柱4	立柱底	896	175	1823	10.44
	拱肋	拱脚处	5656	1273	5217	4.10

在E1地震作用下，立柱和拱肋最不利截面弯矩小于截面初始屈服弯矩，即在弹性范围之内，满足抗震性能要求。

5.3.2E2抗震检算

E2地震作用下，结构校核目标是立柱和拱肋的地震反应小于等效屈服弯矩。

组合工况	墩号	位置	最小轴力P(kN)	弯矩M (kN·m)	等效屈服弯矩M(kN·m)	安全系数
恒载±(纵向地震作用)	立柱1	立柱顶	886	1453	12510	8.61
	立柱1	立柱底	2082	484	12930	26.71
	立柱2	立柱顶	654	2128	5809	2.73
	立柱2	立柱底	918	692	5887	8.50
	立柱3	立柱顶	578	3549	3620	1.02
	立柱3	立柱底	661	1332	3225	2.42
	立柱4	立柱底	655	2465	2535	1.03
	拱肋	拱脚处	4175	1330	6990	5.25
恒载±(横向地震作用)	立柱1	立柱顶	797	959	12490	13.03
	立柱1	立柱底	1143	272	12730	46.72
	立柱2	立柱顶	739	197	5825	29.57
	立柱2	立柱底	800	101	5871	57.88
	立柱3	立柱顶	673	293	3217	11.00
	立柱3	立柱底	685	65	3228	49.91
	立柱4	立柱顶	625	643	2538	3.95
	立柱4	立柱底	633	297	2537	8.55
	拱肋	拱脚处	2745	2164	6920	3.20

在E2地震作用下，立柱和拱肋最不利截面弯矩小于截面等效屈服弯矩，安全系数大于1，满足抗震性能要求。

5 结语

1）结算结果表明，结构总体计算、静力稳定屈曲分析及抗震计算分析满足要求。

2）钢管混凝土桁架上承式拱桥主桥可不设置预拱度，通过立柱高度调整下挠。安装立柱之前，对拱轴线进行测量，根据实测拱轴线推算立柱高度调整值，实际立柱高度调整值以现场监控为准。

3）青海省属高寒地区，桥位处又处于黄河库区，温度变化规律复杂，钢构件对温度非常敏感，摸清桥位处阶段性温度变化规律对钢拱桥的安装非常关键。类似工程环境下的同类桥梁建议采用现场大量布点、增加观测频率方法，总结出了桥位处钢结构随天气、温度变化的规律，指导现场吊装作业。

4）主拱施工时，可直接将锚索锚固于山体岩石上，不仅缩短了工期，而且节约材料、成本。

参考文献：

[1] 何可.上承式钢管混凝土变截面析架拱桥静动力及稳定性分析[D].湖南：长沙理工大学，2019.

[2]马欢.上承式钢管混凝土拱桥桥位选址与结构分析研究[D].陕西：长安大学，2016.

[3] 庞辉,刘茉,邢宇玥,于洋.反应谱法分析钢筋混凝土拱桥在E1地震作用下的抗震性能[J].北华大学学报（自然科学版）.2018.

[4]JTG/T B02-01-2008.公路桥梁抗震设计细则[S].北京：人民交通出版社，2008.

[5] JTG B02-2013.公路工程抗震规范[S].北京：人民交通出版社，2013.

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