黄兆良 中交第四航务工程勘察设计院有限公司
摘要：为提高大跨度钢拱桥的设计水平，以某具体桥梁工程为例，结合线路条件限制分析和设计原则，提出了（32+140+32）m钢拱桥的设计方案。箱型钢框架拱桥设计方案，并阐述了设计要点。经验证，该设计方案具有良好的合理性和安全性，能够满足桥梁结构的总体设计和结构稳定性要求，对于提高大跨度钢拱桥的设计水平、保证整体质量具有一定的参考价值。的桥梁工程。
作者简介：黄兆良(1993—)，男，硕士研究生，工程师，从事桥梁与隧道工程设计。 ;
0 简介
随着拱桥结构形式的发展，我国建造的钢拱桥结构体系日趋复杂，跨度也逐渐增大。因此，加强大跨钢拱桥的动力特性和结构设计分析研究，不仅可以保证桥梁设计和施工质量，而且对于大跨钢拱桥的安全、长期使用具有积极意义。拱桥[1]。
1 项目概况
拟建大型桥梁位于一条相对笔直的河流中，距上游桥梁的距离约为80~120 m。考虑到现有铁路线的方向，拟建桥梁与河流中心线成69°角布置。轴。大桥设计等级为Ⅴ类航道。因此，桥梁通航净高必须大于6m。当采用双孔单向通道时，应保证每通道宽度大于55m。采用单孔双通道时，保证通道宽度大于110m。该铁路为客运专线，设计时速200公里，专线间距4.6m。
2 桥梁方案的概念
基于所采用的桥梁布置理念，严格遵循桥梁设计原则，综合考虑桥梁的驱动和受力要求，提出了三种科学可行的桥梁方案，即（32+140+32）m底承重钢箱钢框架拱、(64+140+64)m连续梁拱、140m简支钢箱拉杆拱[2]。
第一种方案：（32+140+32）m下承重钢箱刚架拱。主梁采用3米高的三室单箱型截面。梁两端边墩、柱墩均设有支撑和拱肋。采用钢箱结构，宽1.2m，高3.5m。主梁和拱肋用吊杆连接，拱肋锚固在桥墩上。
第二种方案：（64+140+64）m连续梁拱，主梁采用双室单箱形断面形式。主梁支点高度7 m，跨梁中间高度3.5 m，拱肋高度2.8 m。 ，拱肋为哑铃型钢管混凝土结构[3]。
第三种方案：140m简支钢箱系杆拱。钢箱梁和拱肋的宽度均为1.94m。系梁高度为3.5 m。两拱肋平行布置。均为变截面钢箱结构。拱底高4.5m，拱顶高3m。
综合考虑经济性、结构稳定性、驱动要求及特点等因素，对三种方案进行综合比较后发现，第一种方案较为可行，结构组成合理，受力稳定可靠，效率高，成为劣势优势。
3 底承式钢箱刚构拱桥结构设计 3.1 结构体系受力特征
结构由主梁、主拱、桥墩、吊杆、拉杆、基础等组成。主梁与拱肋采用吊杆连接。主梁主墩和两端边墩均设有支撑，起连接主梁和拱肋的作用。桥墩的用途。桥梁结构的纵向受力形式为主梁→吊杆→拱肋，最后将纵向荷载力转换为拱肋的轴力；横向荷载力最终由拱肋通过柱墩间的拉杆实现。均衡。
3.2 主拱肋
主拱拱肋结构采用桥梁钢板断面钢箱。拱轴线是一条抛物线。牙弓矢状高跨比为0.25。矢状高度为35 m。拱肋采用钢箱，规格为1.2 m×3.5 m。筋顶板和底板厚度为3.2厘米，腹板厚度为2.4厘米。另外，考虑到主拱肋的横向稳定标准，我们选择在钢箱2根主拱肋之间等间隔布置8个“一”字形横向支撑。侧向支撑采用普通碳材料，规格为1.032 m×2.0 m。钢箱结构。
3.3 主梁结构
主梁结构为三室单箱形截面。箱体顶部和底部厚度为250毫米，箱体壁板厚度为300毫米，侧腹板厚度为250毫米。同时，在侧墩支撑处布置1m横隔梁，在中墩支撑处布置2m横隔梁，吊杆上设置300mm厚的横隔板。由于横梁与主梁之间的预应力梁中心距为13 m，因此需要在每根横梁下方布置2根钢绞线，在横梁下缘两端布置2根钢绞线。最后在主梁箱内浇注C50混凝土。
3.4 繁荣
吊杆为纵向双吊杆系统，吊点中心距为0.5m。按照这个间距，主桥上共设置了16对吊杆。吊点中心距孔位距离8m。待大桥正式通车后，可逐步更换吊索。在臂架材料选用方面，侧臂架采用LZM7-127钢丝束，副臂架采用LZM7-91，其他臂架采用LZM7-73钢丝束。
3.5拉杆
拉杆由37根φ15.7毫米镀锌涂油钢绞线组成。每个拱肋上有4根拉杆。每根拉杆的抗拉强度为1860 MPa。根据科学计算，拉杆布置在拱肋下的人行道护栏外侧，沿拱脚伸出，最后越过拱肋，固定在桥台外侧。
4 有限元模型仿真
建模工具采用Midas Civil 2015软件构建FEA计算分析模型来验证实验测量值。吊杆采用桁架单元模拟，拱肋和横撑采用空间梁单元模拟，钢箱梁采用定制截面模拟。共布置669个节点、1014个单元，即：第一钢结构稳定理论与设计，在两端拱脚上约束所有自由度；其次，采用6×6自由度矩阵对桥墩支撑平台底部进行模拟；第三，沿桥方向主梁为半浮式系统，按稳定性要求垂直固定。桥梁横向侧墩和主墩支座均设有横向活动支座，采用横向弹性限位支座约束主墩横向位移；第四，采用弹性连接模拟横撑与拱肋的连接。建议采用带有桥墩分析的力学模拟模型。建模结果如图1所示。
图1 下载刚构系杆拱桥有限元模型原图
4.1 压测结果及分析
桥梁应力试验采用加载试验方法。装载对象为T11BK长轨车组。根据Midas Civil 2015仿真软件获得的主跨断面、吊杆、拉杆、拱脚参数，考虑最坏加载情况，在此前提下进行仿真分析，确定加载轮位置和试验条件。仿真分析中，采用Midas Civil 2015空间有限元模型计算移动荷载影响线，从而确定全桥轴力和弯矩较大的位置，然后进行加载试验。将理论应力计算值与实测应力进行比较，按照《铁路桥梁检定规范》进一步分析，确定构件的相关系数，评价桥梁结构的工作性能。考虑以下具体情况：
当实测杆件弯曲应力/杆件理论弯曲应力=1时，理论值与实测值一致；
当实测杆件弯曲应力/杆件理论弯曲应力
当实测杆件弯曲应力/理论杆件弯曲应力>1时，表明桥梁结构工作性能较差，施工设计承载能力不足。
以主梁断面和跨中断面测量点为例，对弯曲应力的理论值和实测值进行了对比分析。结果如图2至图3所示。
图2 主梁剖面结果对比 下载原图
图3 跨中剖面结果对比 下载原图
根据图2～图3所示的计算和上述技术，杆件实测弯曲应力/杆件理论弯曲应力的标定系数在0.8～0.95范围内，《公路桥梁支座》 《容量测试与评定规程》（JTG/TJ21-2011）中规定的校准系数范围为0.7~1.05。因此，可以知道，当计算模型和验证方法正确使用时，钢框架系杆拱桥的理论计算值和试验值是比较接近的。验证应变和挠度标定值均小于公路承载力要求中的系数范围。截面尺寸、结构跨度、结构类型、测量误差等因素都会影响标定系数。因此，需要进行大量的试验和计算，才能保证类似结构桥梁的标定结果更加可靠。上述校准系数仅供参考。细节需要根据实际工程环境进行调整，不能直接应用。
由以上分析可知，钢框架系杆拱桥、主梁断面、主梁跨中荷载系数均在0.8～0.95范围内，表明桥梁结构强度满足设计要求。
4.2 挠度测试结果及分析
本次试验中挠度值试验控制位置布置在桥梁主跨中部道碴墙上。大桥左右两侧各布置8个监测点。左道碴墙跨中和右道碴墙跨中分别测点的实测挠度值和理论挠度值见表1。
表1 主跨跨中挠度结果 下载原图
根据表1可知，挠度值的标定系数为0.8～0.91。对比分析发现，实际测量值低于理论值，结构刚度符合标准。
4.3 梁幅及振动加速度测试结果及分析
根据实际测量结果可知，边跨内最大纵向振幅为0.14 mm，最大纵向加速度为0.068 m/s2；试验得到的跨中最大纵向振幅为0.339 mm，跨中最大纵向加速度为0.063 m/s2，如图4～图5所示。通过与《公路桥梁结构安全监测系统技术规程》（JT/T1037-2016）的相关规定对比分析可知，实测纵向下限振幅均在允许范围内。与法规要求的纵向下限加速度3.5 m/s2相比，试验值较低。实测跨中和边跨中最大横向振幅分别为0.075 mm和0.036 mm。跨中和边跨中跨最大横向加速度分别为0.663 m/s2和0.486 m/s2。经过对比分析表明，无论是横向振动还是加速度的下限，实际测量结果均小于技术规定的下限。
图4 跨中垂向振幅实测最大值与车辆速度的关系 下载原图
图5 实测最大跨中垂直加速度与车速关系 下载原图
5 结论
通过对主桥(32+140+32)m刚构拱桥结构的设计分析发现，桥梁结构运营阶段，各桥梁结构构件均能满足刚度、强度和稳定性要求。桥梁结构整体质量良好，能够满足大跨度钢拱桥的设计和使用要求。而且结构设计水平高，钢箱拱与刚性梁桥有效结合。在完全符合桥梁设计一般原则的同时钢结构稳定理论与设计，还简化了结构受力，提高了桥梁的跨度能力，控制了梁端角，并可以在保证通航净高的基础上控制建筑高度，具有良好的推广应用价值。
参考
[1] 熊立鹏.无风支撑异形钢箱拱肋拉杆拱桥受力分析[J].交通科学与技术，2014（4）：40-41。
[2] 李新平，陈亦健，李泽宇。中心支撑拱桥横摇稳定性研究[J]，公路，2010（4）：41-46。
[3] 夏伟杰，王银辉，李应根。大跨度倒装钢拱桥稳定性分析[J].华东公路，2016(6):20-21。
