横撑对钢箱系杆拱桥稳定性的影响分析

万德富　黄介位

摘要：文章以某大跨钢箱系杆拱桥为背景工程，建立全桥整体有限元模型，对比分析了不同横撑个数、横撑刚度及横撑形式对结构整体稳定性的影响。研究结果表明：钢箱系杆拱桥稳定系数随横撑个数及横撑刚度增大而增大，呈指数增大到一定值后趋于平稳；横撑形式对钢箱系杆拱桥稳定性的影响由高到低依次为米字撑、K字撑、I字撑；实际横撑设置应从安全与经济角度出发进行合理设置。

关键词：系杆拱桥；钢箱；横撑；稳定性；影响分析

0引言

梁桥一般以受弯为主，拱桥一般以受压为主。系杆拱桥作为一种梁拱组合的新型桥梁，大大减少了拱脚处的水平推力，综合发挥了梁受弯、拱受压的优势，提高了结构整体受力性能，在一些地质条件较差但又需要修建大跨径拱桥的地方非常受欢迎。

然而，对于系杆拱桥来说，作为主要受压承重构件的主拱，其稳定性不容小觑，尤其是其横向稳定性［1-3］。此外，主梁虽主要以受弯为主，但拱脚处巨大的系杆压力，使主梁受压边缘的压应力非常大，其受压横向稳定性也不容忽视。不少研究表明［4-7］，对于大跨径系杆拱桥，只有设置横撑才能大大地提高桥梁结构的横向稳定性，确保桥梁安全。因此，为提高系杆拱桥横向稳定性，横撑设置不可缺少。然而，不同数量、不同截面（刚度不同）、不同形式的横撑对系杆拱桥稳定性影响大小也不相同，有必要对不同横撑设置情况下的系杆拱桥稳定性进行单独分析。

本文在以往研究的基础上，以某大跨钢箱系杆拱桥为背景工程，建立全桥整体有限元模型，对比分析不同横撑个数、横撑刚度及横撑形式对结构稳定性的影响大小，为同类桥梁在横撑设置上提供一定的参考借鉴。

1 工程背景简介及原始模型的建立

1.1 工程背景简介

背景工程为城市某3×30 m+145 m+3×30 m跨河桥梁。受地形、地质及桥下净空限制，该桥引桥采用常规预制小箱梁，桥宽12 m；主桥采用下承式钢箱系杆拱桥，全宽16 m，跨径为145 m（计算跨径为140 m），矢跨比为1/5.0，拱轴线采用抛物线，其桥梁立面布置如图1所示。

全桥拱肋、横撑、系杆、纵横梁均采用Q355钢材，桥面板采用混凝土预制板；吊索采用1 860 MPa级别的索体用环氧喷涂PE护套钢绞线，全桥共15对，顺桥向间距为9.0 m。横撑采用高×宽为1 m×1.5 m的钢箱截面，全桥等间距共设置7道I字横撑。顶、底板及腹板厚16 mm，箱内采用140 mm×12 mm加劲肋。其横撑标准横断面如图2所示。

1.2 原始有限元模型的建立

為对比分析不同横撑个数、横撑刚度及横撑形式对本项目钢箱系杆拱桥稳定性的影响规律，本文采用Midas Civil软件建立主桥有限元模型，除吊索采用桁架单元模拟外，其它构件均采用梁单元模拟。此外，由于整座主桥简支落于主墩之上，因此按简支结构对主桥进行边界模拟。共计418个节点、412个单元。主桥有限元模型如图3所示。

2 横撑个数对钢箱系杆拱桥稳定性的影响分析

背景工程一共设置7道I字横撑，全桥共15对吊索。因此，下文以背景工程为研究对象，选取8组不同横撑个数组合，分析钢箱系杆拱桥稳定性受横撑个数的影响规律。

经有限元计算，钢箱系杆拱桥在不同横撑个数下的稳定系数计算结果如表1和图4所示。

由表1、图4分析可知，随着横撑个数的不断增加，钢箱系杆拱桥稳定系数逐渐增大，几乎呈指数变化，且增大到一定程度后趋于平稳。由此可见，横撑个数是影响钢箱系杆拱桥稳定性的关键因素。在实际横撑设置时，可考虑增加一定数量横撑来提高钢箱系杆拱桥稳定性。

此外，由表1、图4分析可知，拱肋处于裸拱及横撑个数较少时，全桥稳定系数＜4，即不满足规范要求。因此，在拱肋处于裸拱或横撑刚开始施工阶段，应加强拱肋横向临时连接，增加其横向稳定性，保证施工安全。

3 横撑刚度对钢箱系杆拱桥稳定性的影响分析

经理论分析，钢箱系杆拱桥发生横向屈曲主要是由于其横向变形过大导致，而其变形大小与横撑刚度直接相关。因此，下文以背景工程为研究基础，选取9组与原横撑刚度成倍数关系的横撑，分析钢箱系杆拱桥稳定性受横撑刚度的影响规律。

经有限元计算，钢箱系杆拱桥在不同横撑刚度下的稳定系数计算结果如表2和图5所示。

由表2、图5分析可知，随着钢箱系杆拱桥横撑刚度的逐渐增大，其稳定系数也随之逐渐增大，且增大速率由快变缓，呈指数变化，增大到一定程度后趋于平稳。以本桥为例，当钢箱系杆拱桥横撑刚度增大至原来的2.5倍左右时，稳定系数稳定在9.0左右。可见，横撑刚度也是影响钢箱系杆拱桥稳定性的重要因素。

由材料力学性能分析可知，钢箱系杆拱桥横撑刚度主要由其截面尺寸所决定，截面尺寸越大，横撑刚度越大。因此，从经济角度出发，不建议选取较大断面横撑，适宜即可，尤其当桥面较宽时，较大断面横撑对其自身受力与变形也较为不利。

此外，从施工安全角度出发，较大断面的横撑对施工也相对不利，施工风险更高。

4 横撑形式对钢箱系杆拱桥稳定性的影响分析

经统计，钢箱系杆拱桥横撑形式主要有I字撑、K字撑、米字撑3种，一般独立或相互搭配设置。

为研究K字撑对钢箱系杆拱桥稳定性的影响规律，下文以背景工程为研究基础，选取4组I字撑与K字撑的不同搭配组合，分析钢箱系杆拱桥稳定性受K字撑影响规律，典型K字撑设置如图6所示。

经有限元计算，钢箱系杆拱桥在不同K字撑个数下的稳定系数计算结果如表3和图7所示。

为研究米字撑对钢箱系杆拱桥稳定性的影响大小，下文以背景工程为研究基础，选取3组米字撑与K字撑的不同搭配组合，分析钢箱系杆拱桥稳定性受米字撑影响规律。典型米字撑设置如图8所示。

经有限元计算，钢箱系杆拱桥在不同米字撑个数下的稳定系数计算结果如表4和图9所示。

由表3、图7分析可知，不同I字撑与K字撑搭配组合下，钢箱系杆拱桥稳定系数随K字撑数量增加而增大，且增大速率逐渐增加，呈指数变化，由此可见，K字撑对钢箱系杆拱桥稳定性的影响大于I字撑，K字撑优于I字撑。

由表4、图9分析可知，不同K字撑与米字撑搭配组合下，钢箱系杆拱桥稳定系数随米字撑数量增加而增大，但增大速率逐渐减小。由此可见，米字撑对钢箱系杆拱桥稳定性的影响大于K字撑，米字撑优于K字撑。

综合以上分析可知，不同横撑形式对钢箱系杆拱桥稳定性的影响由高到低依次为米字撑、K字撑、I字撑。

5 结语

本文以背景工程为研究基础，对比分析了不同横撑个数、横撑刚度及横撑形式对结构稳定性的影响大小，得出主要结论如下：

（1）钢箱系杆拱桥稳定性与横撑个数呈正相关关系，设计中可增加一定横撑数量提高结构稳定性，施工中应加强拱肋横向临时连接，增加结构横向稳定性，保证施工安全。

（2）钢箱系杆拱桥稳定系数随横撑刚度增大而增大，且增大速率由快变缓，呈指数变化，从安全与经济角度出发，不建议选取较大断面的横撑。

（3）钢箱系杆拱桥稳定性受横撑形式的影响由高到低依次为米字撑、K字撑、I字撑。

（4）实际横撑设置应从安全与经济角度出发进行合理设置。

参考文献：

［1］柴生波，杨清华，王秀兰，等.大跨径中承式钢箱系杆拱桥施工阶段稳定性分析［J］.交通科学与工程，2022，22（18）：8 095-8 102.

［2］龚万江，常 海，刘朝福.下承式钢管混凝土系杆拱桥稳定性研究［J］.西部交通科技，2013（3）：215-217.

［3］关 伟.185 m下承式悬链线钢管混凝土拱桥空间稳定性参数敏感性分析［J］.石家庄铁道大学学报（自然科学版），2020，33（1）：14-19.

［4］邹 圻，范 翊.横撑对钢管混凝土拱桥稳定性能的影响［J］.四川建筑，2021，41（3）：160-162，166.

［5］王 达，姚型龙，嚴伟飞，等.中承式提篮拱桥拱肋最优内倾角取值影响分析［J］.交通科学与工程，2022，38（4）：60-64，71.

［6］潘金发.某钢管混凝土拱桥横撑锈蚀对稳定性的影响分析及加固效果评价［J］.福建交通科技，2022（9）：76-81.

［7］杨顺泽.横撑布置对三拱肋下承式系杆拱桥稳定性的影响［J］.中国水运，2022（11）：151-153.

作者简介：万德富（1987—），工程师，主要从事公路工程、市政工程施工管理和投资管理工作。