拱肋内倾对提篮拱静力性能的影响

徐红 覃明林

摘要：以南广铁路肇庆西江特大桥为背景，采用Midas/civil软件分析了四种工况作用下拱肋内倾角变化对结构的静力特性以及稳定性的影响。综合分析结构的强度、刚度和稳定性得出400m级大跨度钢箱提篮拱在拱肋倾角在4.8 °～6 °使结构的综合性能达到最优。研究结果可为同类型的桥梁设计与施工提供参考。

【关键词】拱肋傾角;静力特性;稳定性

钢箱提篮拱桥作为一种新型桥梁结构形式，结构轻，强度大，承载能力高。随着钢箱拱桥跨度的不断增大，一般在设计中采用拱肋内倾的方式增加结构的稳定性。在大跨度钢箱拱的施工当中，横向稳定性的控制尤为重要。

1.工程概况

南广铁路西江特大桥位于广东省肇庆市，是铁路南宁至肇庆东段的控制性工程，大桥全长618.3 m，桥跨布置为（41.2+486+49.1）m，主桥为中承式钢箱提篮拱桥，矢跨比为1/4，主桥的计算跨径为450m，拱肋内倾角为4.8 °，桥面距拱顶71.7 m，拱脚处拱肋横向中心距为34.0m，拱顶处为15.17m，为目前世界上最大跨度的高速铁路拱桥，主桥两端设置4个拱座。西江特大桥主桥布置图如图1所示。

2.计算模型

本文采用Midas-civil软件建立三维有限元计算模型，拱肋、横撑、斜撑均采用空间梁单元模拟，吊杆采用桁架单元模拟，桥面系采用板单元模拟，全桥划分为60个桁架单元，884个梁单元，301个板单元，共计576个节点，边界条件模拟为，拱脚固结，主梁端部采用弹性连接。有限元模型图见图2。

3.结构分析

为了研究拱肋内倾角变化对桥梁整体结构带来的影响，本文假设结构的其他参数不变，仅仅改变拱肋倾角，分别取0 °、2 °、3 °、4.8 °、6 °建立5个模型，对这5个模型进行有限元计算、对结构在工况1～4下的静力性能、稳定性、极限承载力的研究。荷载及其组合为：永久作用包括一期恒载即结构自重，二期恒载为压力面荷载为21.9KN/m2;列车设计活载为ZK标准活载，按双线布载;荷载组合为：工况1：恒载、工况2：恒载+活载。

3.1拱肋内倾角对结构静力性能的影响

研究拱肋倾角的变化对拱肋和主梁的强度和刚度的影响。有限元分析表明，在工况1和2下全桥拱肋和主梁受力均匀，拱肋最大应力发生在拱脚处，最大位移发生在拱顶处，主梁最大应力和最大位移均发生在跨中处。

由表1可以看出在工况1和工况2作用下，拱肋倾角4.8 °时的拱肋最大应力为最小。恒载以及活载对于拱肋的影响最小，结构的强度达到最大。由表2可知，随着拱肋倾角的增大，拱肋的竖向挠度呈下降趋势，其中拱肋倾角在6 °时拱肋的竖向挠度达到最小。因而增大拱肋倾角可以提升提篮拱拱肋的整体刚度。

3.2拱肋内倾角对结构稳定性的影响

为了探讨拱肋倾角变化对提篮拱的稳定性，本文考虑了工况1和工况2作用下的弹性稳定。表3给出了结构在两种荷载工况作用下弹性稳定计算结果。图3～4为工况2作用下结构面外、面内的屈曲模态。

表3拱肋内倾对弹性稳定系数的影响

从表3看出随着拱肋倾角的不断增大，面外和面内的屈曲稳定系数逐渐增大。不同拱肋倾角下列车活载对于桥梁结构的屈曲系数的影响在9%～10%左右，对面外稳定性的影响在9%左右，且对面外稳定性的影响大于面内稳定性。拱肋倾角在4.80时活载对于结构面外稳定影响最大达到10.1%，拱肋倾角在0 °～6 °变化时活载对于面内稳定系数的影响较小，均在9%左右。

4.结束语

拱肋倾角在0 °～6 °变化区间内，拱肋倾角在4.8 °时，结构在恒载以及恒载+活载作用下的应力水平最小。结构在拱肋倾角为6 °时拱肋和主梁的竖向位移最小。综上对于大跨度提篮拱应当在设计以及施工中应当控制拱肋倾角在4.8 °～6 °可以使结构的刚度和强度得到提升。

拱肋内倾角的增加对结构弹性稳定的屈曲模态形式影响较小，对屈曲系数影响较大，列车活载对于面内稳定系数的影响较小。因而综合结构的强度、刚度和稳定性能得出400m级大跨度钢箱提篮拱在拱肋倾角在4.80～60使结构的综合性能达到最优。

【参考文献】

[1]曹正洲，冯玉涛，沈逢俊.大跨径钢箱提篮拱桥空间稳定性分析[J].桥梁建设，2011（1）：43-47.

[2]张庆明，周罡.大跨径提篮拱的拱肋侧倾角对稳定性影响的研究[J].桥梁建设，2007（4）：32-34.

[3]颜全胜，骆宁安.大跨度拱桥的非线性与稳定分析[J].华南理工大学学报（自然科学版），2003，28 （6）：64-68