下承式梁拱组合体系桥结构设计参数研究

常 健，王广东，隋传剑，宋 凯，李敏堂

(军委后勤保障部 军事交通运输研究所，天津 300161)



下承式梁拱组合体系桥结构设计参数研究

常 健，王广东，隋传剑，宋 凯，李敏堂

(军委后勤保障部 军事交通运输研究所，天津 300161)

为研究结构设计参数对下承式梁拱组合体系桥的结构力学特性的影响，采用ansys有限元程序计算分析矢跨比、拱肋与梁刚度比、吊杆间距及位置等关键结构参数对桥梁结构受力的影响，探讨上述参数相对较优的方案，可供设计人员参考。

下承式梁拱组合桥；结构设计；有限元程序

梁拱体系就是梁和拱的组合，将主要承受弯矩的行车道梁和主要承受压力的拱肋结合起来共同承受荷载，充分发挥梁、拱的受力特点及组合作用，达到节省材料和降低对地基要求的设计构想。梁拱组合体系桥是对传统拱桥的发展，是梁桥和拱桥的结合体，兼具两者优点。实践证明：梁拱组合体系桥的跨径在60～200 m范围内时，造价比较低廉，施工方法相对成熟，是最具有竞争力的桥型之一[1]。本文分析了下承式梁拱组合体系桥结构设计参数对桥梁结构力学行为的影响，可为该类型桥梁的设计提供参考。

1 工程概况

本文以某工程的下承式梁拱组合体系桥为工程背景(如图1所示)，该桥由拱肋、梁、吊杆、横向连接系组成，桥梁宽度81 m，跨度4.5 m，拱肋截面采用圆钢管截面，外半径0.240 5 m，壁厚0.012 m，沿拱轴线做成等截面，拱轴线为二次抛物线。纵梁采用箱形截面，宽0.4 m，高0.8 m，壁厚0.015 m。横梁采用工字钢截面，顺桥方向每隔4.5 m等间距布置。横向联接系全部采用“一”字型，顺桥方向采用单数布置，其截面采用箱形截面。吊杆截面采用圆钢管截面，外半径0.04 m，壁厚0.006 m，吊杆每隔6.75 m等间距布置，与拱肋、纵梁铰接，全桥采用柔性吊杆并竖直布置。

图1 下承式梁拱组合体系桥

2 空间有限元模型建立

下承式梁拱组合体系桥的拱肋、梁、横向连接系均采用空间BEAM44梁单元模拟，通过BEAM44单元自定义截面的功能来定义各单元的截面性质。吊杆采用LINK10杆单元模拟，通过取LINK10单元keyopt(3)=0来实现吊杆单元只受拉。全桥材料均采用Q345钢，采用简支约束，有限元模型如图2所示。

图2 下承式梁拱组合体系桥有限元模型

3 结构设计参数影响性分析

3.1 矢跨比的影响

矢跨比是指桥梁矢高f与跨径L之比，是拱桥重要的特征参数之一，它不仅影响结构的受力特性，同时关系到桥梁架设方法的选取，与桥梁的经济性紧密相关。所以，探究在不同矢跨比条件下，桥梁结构的受力变化规律，并根据此规律提出矢跨比的合理取值范围，对下承式梁拱组合体系桥的设计是必要的和具有现实意义的[2]。其他条件不变，仅改变矢跨比的取值，下承式梁拱组合体系桥结构受力的影响规律如图3—图8所示(注：为方便进行比较，作图时统一用矢跨比取1/5时的值对各数据进行单位化)。下承式梁拱组合体系桥吊杆布置如图9所示。

图3 拱肋轴力随矢跨比变化曲线

图4 拱肋弯矩随矢跨比变化曲线

由图3、图4可知：拱肋的轴力随着矢跨比的减小而逐渐变大，且拱肋L/2处轴力的增加幅度大于拱脚和拱肋L/4处轴力的增加幅度；随着矢跨比的减小，拱脚和拱肋L/4处的弯矩值均逐渐减小，拱肋L/2处的弯矩逐渐增大。

图5 纵梁轴力随矢跨比变化曲线

图6 纵梁弯矩随矢跨比变化曲线

由图5、图6可知，纵梁的轴拉力随着矢跨比的减小而逐渐变大，并且纵梁拱脚、纵梁L/4、纵梁L/2的轴拉力的变化幅度是一致的；随着矢跨比的减小，拱脚和纵梁L/4处的弯矩均减小，纵梁L/2的弯矩增大。

由图7可知，纵梁跨中挠度随着矢跨比的减小而逐渐变大，增加了大约36.5%。

由图8可知，吊杆的应力随着矢跨比的变化并没有明显变化，所以可以忽略矢跨比对吊杆受力的影响。

图7 跨中挠度随矢跨比变化曲线

图8 吊杆应力随矢跨比变化曲线

图9 下承式梁拱组合体系桥吊杆布置

综上所述：矢跨比由1/5—1/10逐渐减小的过程中，拱肋以及纵梁的轴向力逐渐变大；拱肋和纵梁的L/2处的弯矩逐渐变大，拱脚和纵梁L/4处的弯矩逐渐减小；跨中挠度逐渐变大；吊杆杆的应力基本上没有变化。矢跨比过大，不利于施工和结构的稳定性，矢跨比过小则造成拱肋跨中弯矩偏大，不符合拱结构主要受压的特点，同时纵梁中的拉力也偏大，给施工带来麻烦。矢跨比过大或过小，在视觉上也不协调，综合多种因素，下承式梁拱组合体系桥的矢跨比取到1/5左右是较为恰当的。

3．2 拱肋与梁刚度比的影响

拱桥的结构体系将随着拱肋与梁刚度比的不同而产生非常大的改变，而实际设计时对拱肋与梁刚度比选取的范围总希望有一个相对的基点可作参考，在较小的范围内取值。保持其他条件不变，仅改变拱肋与梁刚度比，下承式梁拱组合体系桥结构受力的变化规律如图10—图15所示(注：为方便进行比较，作图时统一用刚度比取1/8时的值对各数据进行单位化)。

图10 拱肋轴力随刚度比变化曲线

图11 拱肋弯矩随刚度比变化曲线

由图10、图11可知：拱肋的轴压力随着刚度比的增大而逐渐增大，并且拱肋L/2、L/4处的轴力的增加幅度相同；随着刚度比的增大，拱脚弯矩先是基本不变，然后略微减小，最后又基本不变，拱肋L/2处的弯矩先是增加幅度很小再明显变大，拱肋L/4处的弯矩逐渐变大。通过图形的对比分析还可以得出：拱肋与梁刚度比的变化对轴力的影响要比对弯矩的影响小得多；拱肋轴力和弯矩在拱肋与梁刚度比变化到1/2的时候，图线斜率变化较大。

图12 纵梁轴力随刚度比变化曲线

图13 纵梁弯矩随刚度比变化曲线

图14 跨中挠度随刚度比变化曲线

图15 吊杆内力随刚度比变化曲线

由图12、图13可知：纵梁轴拉力随着拱肋与梁刚度比增大，先是增加非常缓慢，然后明显增大，并且拱脚、纵梁L/4、纵梁L/2三者轴力增加幅度相同；纵梁的弯矩随着刚度比增大而逐渐减小。通过图形的对比分析还可以得出：拱肋与梁刚度比的变化对轴力的影响要比对弯矩的影响小很多；纵梁的轴力和弯矩在拱肋与梁刚度比变化到1/2的时候，两内力图线斜率均变化很大。

由图14可知：跨中挠度随着拱肋与梁刚度比的增大而逐渐减小，表明下承式梁拱组合体系桥的竖向刚度提高了；拱肋与梁刚度比值在1/2前后时，挠度变化速度开始加大。

由图15可知，下承式梁拱组合体系桥的边吊杆和1/4跨吊杆的内力随着拱肋与梁刚度比增大而减小，1/2跨吊杆的内力随着拱肋与梁刚度比的增大而增大，且增长幅度较大，达到30%左右，所以在设计过程中要合理控制拱肋与梁的刚度比，防止1/2跨吊杆的破坏。吊杆内力在拱肋与梁刚度比变化到1/2时，变化幅度开始加大。

综上所述，随着拱肋与梁刚度比的变化，结构的弯矩的变化幅度比轴力的变化幅度大，也就是说弯矩对刚度比变化更敏感，在刚度比达到1/2之前构件弯矩图、轴力图以及挠度图的变化率很小，之后变化率急剧增大，说明刚度比等于1/2时是结构内力变化的一个临界点。下承式梁拱组合体系桥的拱肋为主要承受压力，拱肋承受的弯矩理论上应要求尽量小。拱肋与梁刚度比选在1/2左右时，能够明显减小拱肋中的弯矩，使其较好地符合梁拱组合体系桥“拱肋受压，纵梁受拉”的特点，同时结构整体刚度较好。

3.3 吊杆间距及位置的影响

(1)吊杆间距对吊杆受力的影响[3]。下承式梁拱组合体系桥的吊杆作为拱肋和纵梁之间的传力构件，其他条件不变，只改变吊杆间距，下承式梁拱组合体系桥，跨度81 m，吊杆等间距分布，所以分别取吊杆间距6.75 m、9 m和13.5 m，吊杆的内力变化如图16所示。吊杆应力随着吊杆间距的增加而增加，边吊杆的应力最小。

图16 吊杆内力变化

吊杆间距的增大导致吊杆的应力增大，为满足吊杆强度要求，需要增大吊杆的截面积，同时吊杆间距的增大也降低了拱肋、梁等构件受力的均匀性，导致结构构件受力迅速增加，为满足强度等要求也需要增加材料用量，因此吊杆间距的增大，并没有减少桥梁实际的材料用量。

吊杆间距适当减小会使吊杆所受的应力减小，同时能够改善下承式梁拱体系桥的受力状况。但是，吊杆间距太小会导致吊杆承受恒载减小，活载相对于恒载的比例加大，进而对吊杆产生负面影响；与此同时，吊杆间距过小导致过多的削弱拱肋截面，若要满足强度、刚度、稳定性等要求，可能需要增加拱肋构造，带来施工复杂等不利问题。

(2)吊杆位置对吊杆受力的影响。下承式梁拱组合体系桥中边吊杆的长度是所有吊杆中最短的，在收集相关资料时发现：一些梁拱组合体系桥梁事故的原因是由边吊杆的破坏造成的。所以探讨吊杆位置对吊杆受力的影响，对下承式梁拱组合体系桥吊杆的设计也是有帮助的。吊杆在不同吊杆间距下的受力状况比较见表1—表3。

表1 6.7 5 m间距吊杆应力 MPa

表2 9 m间距吊杆应力 MPa

表3 13.5 m间距吊杆应力 MPa

由表1—表3可知：下承式梁拱组合体系桥中边吊杆的应力是所有吊杆中应力最小的，说明吊杆所承受的荷载并不是导致拱桥边吊杆破坏的主要原因；数据显示，跨中吊杆的应力最大，在设计吊杆时应加强跨中吊杆的设计处理。

4 结 论

(1)在下承式梁拱组合体系桥的矢跨比由1/5—1/10变化的过程中，拱肋和纵梁的轴向力均是逐渐增大的；拱肋和纵梁的跨中的弯矩变化逐渐增大，拱脚处的弯矩变化逐渐减小；跨中挠度逐渐增大，说明结构的整体竖向刚度有所下降；矢跨比的大小对吊杆受力基本不产生影响，在设计时可以不予考虑。矢跨比取到1/5左右时是合适的，此时结构受力合理，结构整体刚度较优。

(2)随着拱肋与梁刚度比的变化，结构的弯矩变化幅度比轴力的变化幅度大，拱肋与梁刚度比取值为1/2，此时能够显著减小拱肋中的弯矩，同时结构整体刚度较优，构造上也更加合理。

(3)增大吊杆间距并不能减小结构的用料量，反而使拱肋、梁等构件受力的均匀性降低；减小吊杆间距能够改善全桥的受力状况，但过小也会产生负面影响。

(4)吊杆所承受的荷载并不是导致拱桥边吊杆破坏的主要原因，下承式梁拱组合体系桥设计吊杆时，应对跨中位置吊杆的设计处理予以重视。

[1] 金成棣．预应力混凝土梁拱组合桥梁[M]．北京：人民交通出版社，2000：1-2．

[2] 滕丽平．梁拱组合体系桥受力性能研究[D]．长沙：中南林业科技大学，2012．

[3] 徐岳震．下承式铁路钢管混凝土系杆拱桥吊杆力学行为[D]．兰州：兰州交通大学，2011．

(编辑：史海英)

Structure Design Parameters of Through Arch-beam Composite Bridge

CHANG Jian, WANG Guangdong, SUI Chuanjian, SONG Kai, LI Mintang

(Institute of Military Transportation， Logistic Support Department of CMC, Tianjin 300161, China)

To study the impact of structure design parameters on through arch-beam composite bridge, the paper analyzes the impact of key parameters of rise-span ratio, ratio of arch rib and beam stiffness, boom space and position on bridge structure with ansys finite element program, and elaborates superior plans which can provide reference for designers.

through arch-beam composite bridge; structure design; finite element program

2016-07-05；

2016-07-11．

常 健(1989—)，男，硕士,助理工程师．

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2016.11.019

U448.53

A

1674-2192(2016)11- 0081- 05

● 基础科学与技术 Basic Science & Technology