叠合系杆拱桥主拱的内力分析
某下承式系杆拱桥的结构受力分析
某下承式系杆拱桥的结构受力分析叶博【摘要】以某下承式系杆拱桥为研究背景,运用Midas/Civil软件建立全桥有限元模型,分别对该桥吊杆、拱肋和系杆结构的轴力及弯矩进行数值分析,得出以下结论:1)活载引起吊杆、拱肋和系杆的轴力与弯矩值仅为恒载的1/10左右;2)恒载和活载作用下,拱肋、系杆与吊杆固结处产生附加内力随着时间推移会致使吊杆产生损伤.3)系杆拱桥的吊杆、系杆结构在恒载与活载作用下均处于受拉状态,故布置于结构内的预应力钢束能有效改善自身受力状态.【期刊名称】《兰州工业学院学报》【年(卷),期】2017(024)006【总页数】4页(P41-44)【关键词】下承式系杆拱桥;Midas/civil;吊杆;系杆;拱肋【作者】叶博【作者单位】山西省交通科学研究院,山西太原 030006【正文语种】中文【中图分类】U448.22下承式系杆拱桥主要由吊杆、拱肋以及系杆组成，其中吊杆仅承担轴力，拱肋承压为主承弯为辅，而系杆均承担弯矩和轴力，构成一个梁拱组合结构体系共同承受荷载[1-4].20纪中期，系杆拱桥逐渐在我国得到广泛运用，如临清卫运河桥、扬州大运河桥等，均为下承式系杆拱桥结构[5-6].近年来，由于国内部分系杆拱桥的建时过久，使用频率较高，且当时设计和施工阶段技术不成熟，导致目前许多下承式系杆拱桥出现诸多问题[7-8].基于此，笔者以某下承式系杆拱为研究背景，运用Midas/Civil软件建立全桥有限元模型，分别对该桥吊杆、拱肋和系杆结构的轴力及弯矩进行数值分析，研究结果可为同类桥梁设计与后期加固提供参考依据.某下承式系杆拱桥全长168 m，跨径布置为(2×22+72+2×22) m，桥面宽为：2×[1.9 m(人行道)+4.6 m(非机动车道)+2 m(分隔带)]+15 m(行车道)=32 m，设计荷载为：汽车-20级，挂车-100级.桥梁立面布置如图1所示.该桥主跨为下承式钢管混凝土系杆拱，计算跨径为72 m，矢高14.4 m，矢跨比为1/5，拱轴线为二次抛物线.拱肋采用圆形钢管混凝土截面，钢管外径为1.4 m，壁厚14 mm.系杆采用圆形截面，外径为0.8 m，壁厚10 mm，钢管内设有高强度低松弛预应力钢绞线；拱肋和系杆钢管内均使用C40微膨胀混凝土泵送填充.吊杆采用φ0.18 m圆形无缝钢管，壁厚14 mm，管内填充C30细粒式混凝土.运用Midas/Civil有限元软件建立下承式系杆拱桥计算模型，模型中拱肋、横撑、横梁、系杆、吊杆外套管均以空间梁单元进行模拟；桥面板及铺装层以板单元模拟；吊杆内预应力钢束采用初拉力形式进行张拉，并以桁架单元模拟，拱桥计算模型具体如图2所示.模型坐标系中XYZ分别表示拱桥的纵向、横向与竖向，原点O设置于某一拱脚处，将原点处支座进行固定，并分别约束其纵桥向支座的Y方向和横桥向支座的X方向，其余支座则设定为活动支座.另外，模型中拱肋和系杆采用固结连接.拱桥模拟过程中采用简化计算方法，将拱肋、系杆单元模拟成一种各项同性的材料，即将钢材和混凝土视为等效材料，并将其截面换算为等效截面.模拟中基本材料拟定为钢材，运用以下计算公式将混凝土换算成钢材.A=As+，I=Is+，γ=(γcAc+γsAs)/A.式中,s、c分别表示钢和混凝土；A、E、I、γ分别表示材料的面积、杨氏模量、惯性矩和容重.假定模拟材料均为各项同性.钢的弹性模量分别为E1=2.1×105 MPa，μ1=0.3；混凝土的弹性模量为E2=3.31×104 MPa，μ2=0.167；拱肋、系杆结构内钢-混的弹性模量比为6.34，比重为3.07.计算过程中恒载作用仅考虑结构自重，汽车活载根据《公路桥涵设计通用规范(JTG D60—2015)》中相关规定进行计算.吊杆是下承式系杆拱桥中的主要组成部分，其工作状态能反映出桥梁是否安全.通过对系杆拱桥内吊杆结构进行数值分析，获得恒载、活载作用下各吊杆的轴力变化曲线如图3所示.根据图3可知，恒载作用下吊杆左右幅的轴力变化一致，且拱桥两侧吊杆的轴力呈对称分布；而活载作用下吊杆左右幅的轴力变化差异相对较为明显，但两侧吊杆的轴力由于最不利荷载的布置差别较小，整体上仍呈对称分布.在恒载或活载作用下各吊杆均处于受拉状态，其中吊杆轴力主要由恒载作用引起，而活载作用的影响相对较小；各吊杆的轴力分布都比较均匀，且变幅较小.拱肋是系杆拱桥中主要的承重构件，其内力的控制对全桥整体受力和成桥线形起着决定性影响.通过对恒载及活载作用下拱肋结构的内力进行数值分析，获得各节点轴力与弯矩的变化规律如图4～5所示.根据图4可知，恒载作用下拱肋结构产生较大的轴向压力，两侧各节点的轴力呈对称分布，拱顶处轴力值最小，沿跨中向两侧拱脚逐渐递增；拱肋上下侧弯矩分别处于受压、受拉状态，其中拱顶处出现负弯矩，拱肋弯矩沿跨中向拱脚侧逐渐增大.从图5可以看出，活载作用下拱肋结构基本处于受拉状态，其轴力由拱脚往拱顶逐渐递减，两侧轴力分布对称，较于恒载作用，活载对拱肋轴线拉力的影响更小；拱肋全跨弯矩均为正弯矩，其中1/4跨处弯矩达到峰值，并分别向跨中、拱脚处逐渐减小.通过对拱桥系杆结构进行受力分析，分别获得恒载、活载作用下各系杆节点的轴力及弯矩变化规律如图6～7所示.根据图6可知，恒载作用下系杆全跨轴力均处于受拉状态，其中跨中处轴力值最小，且向两侧边跨方向逐渐递增，这是由于系杆与吊杆采用固结连接方式，故半刚性吊杆对系梁的轴力变化产生直接影响；而系杆全跨的弯矩分布较不规则，其原因为系杆在吊杆轴向力影响下产生数个集中力，致使吊杆与系杆固结处的弯矩发生突变.从图7可以看出，活载作用下系杆全跨轴力也均表现为受拉，但轴力变化与恒载作用差距较大，其中两侧1/4跨处轴力值最大，且逐渐向跨中及边跨减小；活载作用下系杆和吊杆固结处弯矩存在较小突变，但系杆全跨仍处于正弯矩，这是由于活载作用引起的吊杆轴力并不明显，而恒载对吊杆轴力影响较大.通过对某下承式系杆拱桥的结构受力进行数值分析，分别得出恒载和活载作用下吊杆、拱肋、系杆的结构内力变化规律，其结果可为同类桥梁设计与后期加固提供参考依据.1) 活载作用下吊杆、拱肋和系杆的内力变化明显要小于恒载作用，活载引起各构件的轴力与弯矩值仅为恒载的1/10左右.2) 恒载和活载作用下，拱肋、系杆与吊杆固结处会产生不同程度的附加内力，当拱桥长期使用时，附加内力能逐渐致使吊杆产生损伤.3) 系杆拱桥的吊杆、系杆结构在恒载与活载作用下均处于受拉状态，故布置于结构内的预应力钢束能有效改善自身受力状态，但桥梁长期使用过程中吊杆结构内钢束的预存力会逐渐减小，故可通过增设吊杆以增强拱桥承载能力.【相关文献】[1] 韩保勤.钢答混凝上拱桥吊杆张拉方案比选[J].桥梁建设,2015,45(1):114-119.[2] 赵铭伟.增大截面法在拱桥加固中的应用[J].山西交通科技,2017(1):57-60.[3] 欧阳辉来，张万华.新开河大桥拱脚设计及局部应力分析[J].世界桥梁，2009(3):33-35.[4] 杨剑，邹团结，汪金胜.梁拱组合拱桥拱脚局部应力分析和试验研究[J].铁道科学与工程学报，2014(6)：25-29.[5] 于刚.九堡大桥设计过程复杂节点局部分析[J].城市道桥与防洪，2011(12)：30-33.[6] 刘芳.下承式钢管混凝土拱桥空间稳定性与极限承载力研究[D].长沙:中南大学，2008.[7] 曾勇，马如进，谭红梅.大跨上承式钢管混凝土拱桥的动力特性研究[J].中外公路，2014(3):113-117.[8] 陈建兵，熊秉贤，李夏元，等.钢管混凝土拱桥新增吊杆加固设计[J].世界桥梁，2016,44(5):83-88.。
拱桥施工阶段内力分析及稳定性计算
拱桥施工阶段内力分析及稳定性计算拱桥在施工阶段内力分析及稳定性计算是非常重要的，它可以帮助工程师们确定结构的各个部分是否能够承受施工荷载，并确保施工过程中的稳定性。
以下是拱桥施工阶段内力分析及稳定性计算的相关内容。
一、拱桥施工阶段内力分析在拱桥的施工阶段，会有一些特殊的荷载作用于拱体结构上，如临时支架的荷载、预应力张拉荷载、混凝土浇筑荷载等。
为了确保拱体结构在施工过程中的稳定性和可靠性，需要进行内力分析。
1.临时支架荷载：在拱桥施工过程中，为了支撑拱体结构和保证其稳定性，需要设置临时支架。
临时支架荷载包括支架的自重及对拱体的水平力和垂直力的传递。
通过对临时支架的结构分析，可以确定支架荷载的大小和作用点位置，从而计算出对拱体的力的大小和方向。
2.预应力张拉荷载：对于预应力拱桥，在施工阶段需要进行预应力张拉，这会对拱体结构产生额外的荷载。
预应力张拉荷载的大小和作用点位置需要通过对预应力张拉过程的分析和计算得出。
3.混凝土浇筑荷载：在拱桥施工过程中，需要进行混凝土浇筑，浇筑的过程中会对拱体产生荷载。
这些荷载的大小和作用点位置需要通过对混凝土浇筑过程的分析和计算得出。
通过对上述荷载的分析和计算，可以得到拱体结构在施工阶段的内力情况，包括受力情况、受力大小和作用点位置等。
拱桥在施工阶段的稳定性计算是为了确保拱体结构在施工过程中的稳定性。
稳定性计算主要包括以下几个方面。
1.施工阶段的整体稳定性：在拱桥的施工过程中，需要对整个结构的稳定性进行计算。
主要包括拱体的整体受力情况、结构的整体平衡情况等。
通过计算和分析，确定施工阶段的整体稳定性。
2.临时支架的稳定性：临时支架在施工过程中起到支撑和稳定拱体结构的作用，需要进行稳定性计算。
主要包括支架的稳定性分析、支架的轴力和弯矩计算等。
通过计算和分析，确定临时支架的稳定性。
3.拱体受力部分的稳定性：拱体受力部分是拱桥中最重要的部分，需要进行稳定性计算。
主要包括拱体的受力分析、拱体的轴力和弯矩计算等。
系杆拱桥力学性能分析
系杆拱桥力学性能分析姓名：翟硕学号：73 专业:机电系杆拱桥作为拱桥家族中的一员，具有拱桥的一般特征，又有自身的独有特点。
它是一种集拱与梁的优点于一身的桥型，它将拱与梁两种基本结构形式组合在一起，共同承受荷载，可以充分发挥梁受弯、拱受压的结构性能和组合作用。
一、拱形形状系杆拱桥通过细杆与桥体相连，减少桥体由于自重而产生的变形，增加桥体承重能力。
通过合理的设计拱形形状可以使每根细杆所受应力相同，达到最大承重的效果。
如图2所示，为系杆拱桥的简图。
L为桥拱的跨度。
图 2图 1由于桥体重力分布均匀，而每根细杆给桥体力相同，因此可以认为桥体受到均匀载荷q。
受力分析如图3所示。
图 3两只支脚所受力F=qq2⁄在桥面上任意一点所受到的弯矩M=qq(q−q)2假设挠度为ω，转角为θ。
q2q qq =q qqθ=qqqq =∫qqqqq+q解得ω=−qq24qq(q3−2qq2+q3)由胡克定律，每根杆所受应力σ=E qq q其中Δy=−ω由此可知，桥拱形状y=qq24qq(q3−2qq2+q3)当x=q2时，q qqq=5qq 4384qq 二、桥拱简单强度计算对桥拱受力分析，如图4所示图 4其中q 1是桥拱受系杆拉力所等效的均匀载荷，F与q q 分别为桥体给桥拱垂直与水平方向的拉力。
由于桥拱垂直方向受力平衡，故 F =q 1q2在A 点列桥拱右部分力矩平衡q q ∗q qqq +∫q 1qqqq 2⁄0=q ∗q /2解得 q q =48q 1qq5qq 在（x,y ）点处受到的力矩为Mq q ∗q +∫q 1qqq q=q ∗q +q解得 M =q 1(4q 4−8qq 3+5q 2q 2−q 3q )10q 2当 x=(12±√24)q 时， q qqq=−q 1q 2160假设桥拱截面形状为圆形，直径为d 则桥拱所受最大正应力 q 1qqq=q qqq q=q 1q 25qq3三、桥体简单强度计算对进行桥体受力分析，如图5所示图 5假设桥体截面为宽度为b，厚度为c的正方形。
下承式叠合梁钢管混凝土拱桥拱脚局部应力分析
效 降低 应 力 峰 值 。 关 键 词 叠 合 梁 钢 管 混 凝 土 局 部 应 力 有 限 元
钢混组 合结构 的 拱桥 由于充分 发挥 两种 材料
的特性 ， 具有 承载 力高 、 度 大 、 约钢材 、 价低 刚 节 造 等优 点 ， 具有 良好 的经 济效 益 ， 在桥 梁建 设 中得到
下 承式 叠 合 梁 钢 管 混 凝 土 拱 桥拱 脚 局 部 应 力 分析
董 晓 兵 石 磊
（ 连 理 工 大 学 土 木水 利学 院 大 连 ｌ ６ ２ ） 大 １０ ３
摘 要 采 用 三 维 实 体 、 壳 和 梁 单 元 ， 析 了 某 下 承 式 叠 合 梁单 索 面 钢 管 混 凝 土 系 杆 拱 桥 拱 脚 板 分
ｆ ｃ ｉ ｎ ｔ ａ ｓ ｒ ｂ ｓｔ ａ ｎｉｕ ｅ ｏ ｏ ｄ ｗ ａ ｅ ｉ ｓ ａ ｌｓ ｅ ． Ｔ ｈｅｄｅ ｉ ｔｏ ｆｓ ｃ ｉ ｎ ｃ ａ ａ ｔ ｒｓ ｕｎ ｔｏ ｈ ｔｄｅ ｃ ｉ ｅ ｈｅｍ ｇ ｔ ｄ ｆｃ ｌ ｖ Ｓｅ ｔ ｂ ｉ ｈ ｄ ｆｎｉｉ ｎ ｏ ｅ ｔｏ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉ—
叠合系杆拱桥横撑设置方式对面外屈曲安全性能的影响
１ １ 基 本 资料 ．
某 大桥初 步方 案采 用钢 管混凝 土叠 合 系杆拱结 构体 系 ， 桥 主跨 布置 为 １ ｍ ＋８ ｍ ＋１ ｍ， 面 宽 该 ２ ６ ２ 桥 ２ ｍ， ０ 按双 向 四车 道设 计 。根 据拱 肋 受 力 及 造 型 方
ｔａ ｓ ｅｓ ｒｃ 。ｔ ｅｓ ｆｔ ａ ｔｒ ｏ ｔｂｌ ｙ ａ ｄ ｂ ｃ ｌ ｇ ｎ ｌｅ ｏ ａ ｈ ａ ａｙ ｉ ｒ ｘｄ ａｅ ｇ ｔ ｈ 姗 ｒ ｎ ｖ ｒ ｂ ａ ｅ ｈ ａ ｅｙ ｆｃｏ ｆｓａ ｉｔ ｕ ｋｉ ＇ｄ ｆ ｅｃ ｎ ｌｓ ｒ ｔ ｒ ｏ ，ｔ ｅⅡ ｅ ｉ ｎ ｎ Ｋ ｓ ｘ
Ｌｉ ｅｎ ｈ ｎ Ｎｉｇ Ｇｕｘｉ Ｌｉ ｅｎ ｕ ｎ Ｐ ｇｚ ｅ ｎ ｉａ ｕ Ｆ ｇｋ ｉ
（ ｃ ｏ ｌ ｆ ｉｉＥ ｇｎ ｅｉｇ ａ ｚ ｏ ｉ ｔｎ ｉｅｓｔ Ｌ ｎ ｈ ｕ ７ ０ ７ ） Ｓ ｈ ｏ ｏ ｖｌ ｎ ｉｅｒｎ ，Ｌ ｎ ｈ ｕ ａ ｏ Ｕｎｖ ｒ ｙ ａ ｚ ｏ ３ ０ ０ Ｃ Ｊｏ ｇ ｉ
，
式 【 。本文 主要 研 究 横 撑 的 布置 对 叠 合 系杆 拱 的 ２ 】
面外 屈 曲影响 。
对 于叠合 系杆拱 ， 认为 单根拱 肋 由上 、 可 下两拱
肋组 成 ， 向连 接 系在上 、 横 下两 拱肋 的设 置位置 及横 撑 的构造 均影 响结 构 的整体 面外屈 曲。本文 以叠合
系杆 拱最 直观 的 ４种 横 撑 设置 形 式 进 行对 比 ， 析 分 在成桥 运 营的 ３种 荷 载 工 况下 ， 同横 撑 的设置 位 不
置及 设置 形式 对叠合 系 杆拱 面外屈 曲稳 定安 全系数
及失 稳模态 的影 响 ， 出对 面 外 稳 定影 响较 为 明显 得 的横 撑设 置方 式 。 ．
考虑景观因素的拱桥内力与稳定分析
考虑景观因素的拱桥内力与稳定分析摘要：在针对横撑布置形式进行景观评价的基础上，应用有限元分析软件MIDAS/Civil进行了结构内力与稳定性的计算分析，综合美学与力学两个方面对拱桥的设计进行详细的分析与评价。
在社会对于景观桥梁追求越来越强烈的情况下，本文通过综合景观因素与结构受力分析得到一定的结论，为今后拱桥的设计提供参考价值。
关键词：拱桥；景观；桥梁美学；内力与稳定1 概述社会的不断进步，致使经济与科学得到迅猛的发展。
在物质生活水平得到大幅度提高的今天，人们对于精神文明水平有了更高的追求。
桥梁不再仅仅是一个用来跨越障碍、连接交通的构造物，它越来越成为一个具有标志性意义的景观产物。
2 桥梁景观拱桥因其优美的弧线一直吸引着桥梁设计者的注意，这也使得拱桥这种桥型成为当今景观桥梁设计中使用最为广泛的一种。
拱桥因为其自身的结构特点，它的结构受力较为复杂，拱桥的稳定性是设计者必须重点考虑的问题。
这就要求在进行拱桥景观设计的同时，不能忽略其力学上的结构受力特点，做到在满足使用功能和安全功能的基础上，充分达到景观效果。
本文将从拱桥自身结构出发，在考虑景观因素的基础上，分析计算不同拱肋倾角、横撑布置形式对拱桥内力与稳定的影响。
3 拱桥稳定性分析理论对于拱桥的结构稳定性，目前一般采用有限元分析方法，即线性屈曲分析和非线性（弹塑性）屈曲分析。
3.1 线性屈曲分析根据线性屈曲理论，计算结构在外荷载F作用下稳定安全系数的特征方程式为：(1)式中：为结构的弹性刚度矩阵；为几何刚度矩阵，与构件的轴力有关；为荷载稳定系数；为结构的位移增量。
如果方程（1）有n阶，那么理论上存在n个特征值，但是在工程问题中，只有最低的特征值或者最小的安全系数才有实际意义。
设此特征值为，则临界荷载值为。
主要的计算流程如下：输入结构和荷载信息拼装总刚度矩阵K和荷载阵列F解求得结构内力拼装解特征方程(2)3.2 非线性屈曲分析拱桥随着跨径的变大、材料强度的提高，在第二类失稳破坏时，结构则表现出位移大、应变大的特征。
系杆拱桥钢管混凝土拱局部分析
模型 Ｉ 材料特性如下 ： 混凝土弹性模量为３４ ．５ ×１ ０加 Ｐ 泊 松 比为 ０ ２ 密度 为 ２ ．ｋ ／ 钢 弹 ａ ．， ５５Ｎ ｍ ；
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图 ３ １２主 拱 肋 立 面 图 （ 位 ：ｌ ） ／ 单 ｎｎ ｌ
梁， 梁高 ３ ５ 梁宽 ２ ．ｍ。吊杆采用单 索面布 ． ｍ， ９５ 置， 低应力 防腐索 体 ， 吊杆材 料为高 强平行钢 丝
索 。系杆 采用 高强 平 行 钢 丝拉 索 。 主桥 中墩 处设 置纵 向固定 支 座 ， 墩 处 设 置 纵 向滑 动 支 座 。主 边 桥 中墩及 边 墩基 础 采用 直 径 ２０ｍ ～２０ｍ 的钻 ８ｅ ３ｅ
和板单 元 为从 节 点 。模 型 Ｉ 用 节 点 ４ ７ ３个 ， 共 ７５
共 用单 元 １ ３ ８ ９ ４ １个 。
性 模量 为 ２ １×１ｎ ａ泊 松 比为 ０３ 密 度为７ ． ． ０ Ｐ， ．， ８５ ｋ／ Ｎ ｍ 。模型 Ｉ和 Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ的材 料 特 性 同模 型 Ｉ ／ 。１２ 主拱肋立 面 图 和有 限元 模 型 Ｉ 载 图分 别 如 图 ３ 加
１ 模型 Ｉ 概况
模 型 Ｉ 用 有 限 元 软 件 Ａ Ｓ Ｓ １０， 要 模 采 Ｎ Ｙ １． 主 拟钢 管 混凝 土拱 在 最不 利 荷 载 组 合 （ 载 ＋汽 车 恒
＋ 温度 ＋ 风载（ 有车） ＋制动力 ） 下局部应力 的大 小和分布情况 。拱桥为对称结构 ， 因此选 择了半 跨拱桥进 行建 模分 析 ， 中 又选择 了五 个节 段 其
混凝土系杆拱桥面板对结构内力影响的探讨
个主要施工工况 ， 分别对 比两种情况下拱肋、 系梁以
及 吊杆 的 内力 ［ ＿ ６ ］ 。施 工工 况按 照施工 阶段 中所 有 结 构 荷载 依次 累加 ， 具体施 工 工况 如 下 ： 工况 １ ： 张 拉 横
梁第二批钢束 ； 工况 ２ ： 张拉吊杆二次 ； 工况 ３ ： 张拉系 梁第三批钢束； 工况 ４ ： 拆除系梁支架 ； 工况 ５ ： 桥面铺
混 凝 土 系杆 拱 桥 面 板 对结 构 内力 影 响 的探讨
伍 冠 石
（ 江西 同济工程设计有 限公 司 ， 江西 南 昌 ３ ３ ０ ０ ０ １ ）
摘 要： 为研究混凝土系杆拱桥 面板对桥面系 刚度贡献的大小 ， 该文结合工程 实例 ， 对 比分析 了桥 梁整体结 构在预制桥 面板是否
野往／ ｍ
（ ｂ １ 轴力 图
图 ４ 工况 ５作用下拱肋 弯矩和轴力图
观察拱肋在工况 １ ～工况 ５ 作用下的弯矩与轴
力图， 两种 结构 中其 数值 相 差 很 小 ， 且该 值 变 化趋 势 相 同 。因此可 以得 出 ， 桥面板 是否参 与结 构受 力对拱 肋截 面 的弯矩 和轴力 影响很 小 。 （ ２ ）系梁 的 内力 。限于篇 幅 ， 本 文 只列 出 了工况 ５作用 下 系梁 的 内力 图 ， 如 图 ５所示 。
参与共 同工作的两种极端情况下 的拱肋 、 系梁 、 横梁和 吊杆的内力 ， 在此基础上 提出了桥梁结构计 算时可 以不考虑桥 面板作用 的
建议 。
关键词 ： 桥面板 ； 刚度作用 ； 结构受力 分析
中图分类号 ： Ｕ４ ４ １ ； Ｕ４ ４ ８ ． ２ ２ ２ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ６ ７ ３ — ５ ７ ８ １ （ ２ ０ １ ３ ） Ｏ １ — ０ ０ １ ３ — ０ ３
系杆拱桥结构受力分析
系杆拱桥结构受力分析作者：***来源：《中国水运》2021年第12期摘要：系杆拱桥兼具拱桥的跨越能力和简支梁桥对地质基础的适应能力的优点，故而广泛应用于国内外的桥梁建设。
本文以某系杆拱桥为研究背景，用有限元软件Midas/Civil对桥梁进行模拟，分析其吊杆和拱肋结构受力，得出以下结论：（1）恒载引起吊杆和拱肋的内力比活载较大;（2）在恒载和活载作用下，拱肋在拱脚处弯矩较大;（3）对于有纵坡的系杆拱桥，其纵向的不对称性会对拱肋弯矩产生影响。
研究结果可为同类桥梁设计与后期加固提供参考依据。
关键词：系杆拱桥;Midas/civil;受力分析中图分类号：U448.22+5 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）12-0151-03系杆拱桥是主要由拱肋、吊杆和系梁组成的一种复合结构体系，因其内部超静定外部简支的受力特性，故兼具有拱桥的较大跨越能力和简支梁桥对地基适应能力强两大特点。
当桥面高程受到严格限制而桥下又要求有较大的净空，或当墩台基础地质条件不佳但又要保证较大跨径时，系杆拱桥是一种较优越的桥型[1-4]。
由于系杆拱桥设计和施工技术逐渐趋于成熟，在许多城市建设和公路修建上得到大量运用，如广州南沙凤凰三桥、扬州大运河桥等，均为系杆拱桥结构[5-6]。
但随着时间推移，许多系杆拱桥均存在服役过久，使用负荷较大现象，而且当时设计和施工技术不完善，导致目前部分系杆拱桥仍存在许多问题，如出现裂缝，变形等病害，甚至直接发生倒塌，危及人民生命财产安全[7-8]。
为减少此类情况发生，笔者以某系杆拱桥为研究背景，以此桥的受力情况分析其内力作用机理。
具体方法为，使用有限元软件Midas/Civil 对桥梁进行数值模拟，以软件模型模拟桥梁真实受力情况，并读取其各部件在荷载作用下的内力情况，分析其吊杆和拱肋结构受力，本文研究结果可在同类桥梁设计以及后期加固过程中提供一定的参考依据。
1工程概况桥梁全长179米，全宽40米，按整幅桥设计。
钢管混凝土系杆拱桥内力计算方法分析
杆件体系 ， 其结构内力计算方法有两种 ： 既分别按照 平面结构和空间结构来考虑 ， 采用平面和空间杆系 有限元计算程序。本文将就两种结构 的内力特性 、
两种方法的计算结果等进行简要 比较分析 ， 从而为 该桥型结构计算提供较简明、 准确的方法。 ２ 结构 受力及 计算 特 点 钢管混凝土系杆拱桥 由系梁 、 拱肋及吊杆组成
但是在实际设计 中， 尤其对于 中小跨径系杆拱 桥， 通常按照平面结构分析方法 ， 忽略横梁作用的影 响， 一般以一片拱架为研究对象， 把桥面系恒载均摊
给两片拱架 ， 活载采用荷载横向分布原理分配给计 算拱架， 按照平 面有限元法计算分析。下面就以实 桥为例， 分别采用两种方法进行 内力计算 ， 并对计算 结果加以比较分析。 ３ 工程 实例
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文章 编号 ：０ １ ３ ３ ２ ０ ）４０ １－４ １０ — ７ （０ ８ ０ —０ ４０ ４
叠 合 系杆 拱 桥 主 拱 的 内 力 分 析
宁贵 霞 ， 蔺鹏 臻 ， 张 慧
（ 兰州 交 通 大 学 土 木 工 程 学 院 ， 肃 兰 州 ７ ０ ７ ） ３ ０ ０
摘
要： 结合 一钢 管混凝土 叠合 系杆拱桥方案 ， 虑在汽 车荷载 、 考 支座位 移 以及混 凝土徐 变发 生的几种 工况 下 ， 运
下拱肋分离布置成桁架形式． 纵梁采用预应力混凝土 箱梁， 系杆与纵梁合 二为一 （ 图 ３ ， 见 ）中横梁采用 预应 力 混凝土 Ｔ形梁 ； 为便 于 吊杆及横 梁 钢 束 的锚 固 ， 在
中横梁和纵梁相交 处 ， 中横梁需 局部加 厚为 ５ ｍ 中 Ｏｃ ． 横 梁间距与 吊杆 间距 均 为 ６ｉ， 靠 近 下拱 脚 部 位 ， ｎ 在 中横梁和拱脚端横 梁距离为 １ ０ｍ
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图 ２ 主 拱 拱 顶 截 面 （ 位 ：ｍ） 单 ｃ
Ｆｇ ２ Ｓ ｃｉｎｏ ｒｈ ｃｏ （ ｎｔｃ ｉ． ｅ ｔ ｆ ａ ｃ ｒ ｗｎ ｕ ｉ ： ｍ） ｏ
用有 限元程序对其主拱的 内力、 变形进行 了计 算与 分析 ， 并与相应 的哑铃 型拱进行 比较． 出上、 给 下拱肋 为不 同矢 跨 比情况 下的主拱拱脚截面 内力 ， 当叠合拱桥 的上 、 下拱肋 矢跨 比分别采 用 １ ５ １ ４与 矢跨 比为 １ ５的哑铃 拱拱 ／ 、／ １ 肋的 内力和主 梁及拱顶 变形计算结果． 经过分析 比较 ， 叠合拱较哑铃型拱从结构刚度 、 内力等 方面均得 到 了较好 的
布 置形式上 的合 理 优化． 叠合 系 杆拱 桥 是 指采 用 上 、 下拱 肋 部分 分 离 且
１ 桥 型方 案
桥梁方案 ｌ（ 图 １ 的主跨 布 置为 １ Ｉ ６Ｉ ＿ 见 ２ ］ ） ２Ｉ＋８ Ｔ ｎ
＋１ １ 面宽 ２ Ｉ 双 向 四车 道 设 计． 据 拱肋 ２１， ７桥 ０ Ｉ， Ｔ按 根 受 力 及造 型 方 面 的综 合 分 析 ， 择 矢 跨 比上 拱 肋 为 选
拱脚 分设在 不 同墩 （ ） 的结构 体 系 ［． 结 构 体 台 上 １该 ］ 系竖 向荷 载 主要 由主 拱 承担 ， 吊杆 锚 固在 上 拱 肋 和 横 梁之 间 ， 通过 竖杆 及 斜 杆 实现 两 拱肋 之 间受 力 的 相 互协调． 系杆 布 置 在纵 梁 内 ， 别锚 固在 上 、 拱 分 下 的拱 脚位 置． 束 的数量 、 钢 长短 及锚 固位置 ， 由上 、 下
收 稿 日期 ：０ ８０ 一 ２ ０ —５㈧
作者简介 ：ｊ贵馒 （９ ）女 ． ｒ： １６ 一， 占林德惠 人． １ 教授
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第 ４期
宁贵霞等 ： 合系汗拱桥主拱 的内力分 析 叠
九 ｈ 邯 竹 壳
情 况 骱 咀】 椒
．
一
１０ ０
一
拱肋 所承 受水 平推 力 的具 体 分 配 比例而 定． 文 利 本
Ｉ５下拱肋 为 １４ １． 下拱肋均采 用圆钢 管混凝土 ／， ／． ５上 构 件 ， 管壁厚 ｔ－０ｒｉ， 径 一９０ｒｍ 主拱 的 钢 － ａ ￣ １ ｎ直 ０ ． ａ 拱顶 截面为哑铃形 （ 图 ２ ； 见 ）在距拱 顶 １． Ｉ ， 、 ２３Ｉ 处 上 Ｔ
用Ｓ ＡＰ程序 对该 桥 型 与 一般 哑 铃 型拱 截 面 的桥 型 方 案 的主拱 内力 、 变形进行 分析 ， 出几点有 意 义 的 得
结 论．
图 １ 叠合 系杆拱总体布置 （ 单位 ：ｒ） ｃ１ ｒ
Ｆ ｇ Ａｒ ａ ｇ ｍｅ ｔ ｆａ ｓａ ｋ ｄ ｃ ｎ ｒ ｔ － ｌ ｄ ｓ ｅ ｌｔ ｂ ｌ ｒ ｔ ｒ ｈ ｂ ｉ ｇ （ ｎ ｔ ｃ ｉ．１ ｒ ｎ ｅ ｎ ｔ ｃ ｅ ｏ ｃ ｅｅ ｆ ｌ ｔｅ ａ ｕ ａ ｉ ａ ｃ ｒ ｅ ｕ ｉ ： ｍ） ｏ ｉｅ ｄ ｅ ｄ
图 ３ 预 应 力 混 凝 土 纵 梁 截 面 （ 位 ：ｍ） 单 ｃ
Ｆｉ． Ｓ ｃ ｉｎ ｏ Ｃ ｎ ｉ ｄ ｎ ｌｂ ａ （ ｎ ｔ ｃ ｇ３ ｅ ｔ ｆＰ ｌ ｇ ｔ ｉ ａ ｅ ｍ ｕ ｉ． ｍ） ｏ ｏ ｕ
２ 主 拱 内 力
２ １ 荷 载 ．
组合 １： ｌ 自重 及 收 缩 徐 变 ＋ 均匀 温 度 变化 ＋ 支
座 强 迫位移 ＋人 群 ＋汽 车 ；
组合 ＩＩ自重 及收 缩徐 变 ＋汽 车 ． Ｉ：
２ ２ 内力计算 ．
主拱通 过 上 下拱 肋 共 同承 受 荷 载 ， 而上 下 拱 肋 又通过 竖杆 、 斜杆 连 接 组 成 桁 架 体 系． 、 拱 肋 的 上 下 矢跨 比的选 择不 仅 关 系 桥 梁 的造 型 ， 时也 与 两 拱 同
改善 ， 结 构 从 受 力 方 面 更 容 易 满足 工程 设 计 的 需要 ． 使 关键 词 ： 梁 工程 ； 管 混凝 土 ； 桥 钢 叠合 拱 ； 拱 ； 主 内力 ； 变形 中 图分 类 号 ： ４ ． ７ Ｕ４ ８ ２ 文献 标 识 码 ： Ａ
随着钢 管混 凝 土 结构 的 出现及 发 展 ， 得 拱 桥 使 在 形式上越 来越 丰 富． 文在此类 桥型 的基础 上 ， 本 通 过对 主拱进 行 内力 及 变形 分 析 ， 现 叠合 拱 在 结 构 实
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第２卷 第４ ７ 期 ２０ ０ ８年 ８月
兰 州 交 通 大 学 学 报
Ｊ ｕｎ ］ ｆＬ ｎ ｈ ｔ．ａ ｔｎ ｉ ｒｉ ｏ ｒａ ｏ ａ ｚ ｏ１ ｉ ｏ ｇＵｎｖ ｓ ｙ Ｉｏ ｅ ｔ
Ｖ ０．２７ Ｎｏ． 】 ４ Ａ ｕ ２０ ８ ｇ． ０