温度荷载下钢管混凝土拱桥设计参数分析

温度荷载下钢管混凝土拱桥设计参数分析作者：戎艳解威威王洪刚叶志权李世俭
来源：《西部交通科技》2024年第02期
基金项目：广西科技重大专项“平陆运河跨线桥梁拆建再利用及交通组织优化关键技术研究”（编号：2023AA14006）；广西重点研发计划“基于大跨径拱桥施工的智慧工地建设技术研究与应用”（编号：桂科AB2326126）
作者简介：戎艳（1993—），硕士，工程师，主要从事结构安全性研究工作。

摘要：文章以某主跨210 m中承式钢管混凝土（CFST）拱桥为工程依托，利用ANSYS 建立空间有限元模型，计算分析该桥在环境温度作用下，不同设计参数对主拱肋各控制截面内力的影响规律。

研究表明：拱轴系数对拱顶截面和拱脚截面的内力影响较大，拱轴系数取1.45时拱桥受力较好；线膨胀系数和矢跨比对全桥内力影响显著，线膨胀系数取值推荐采用CFST 行业标准，拱轴系数建议在1/4～1/4.5之间取值试算。

所得规律可为类似CFST拱桥设计提供参考。

关键词：钢管混凝土拱桥；空间有限元模型；环境温度；设计参数
中图分类号：U441+.2
0 引言
随着“一带一路”和“西部大开发”两项国家战略的推进，我国高速公路和高速铁路的建设里程迅速增加。

钢管混凝土（CFST）拱桥凭借其出色的力学性能和便捷的施工优势在我国发展迅速。

目前国内已建成CFST拱桥超过413座[1]，已建和在建的CFST拱桥跨径超过200 m的
桥梁约56座[2-8]。

CFST拱桥在我国得到广泛的应用与发展，对其温度问题的研究也在不断深入。

陈宝春等[9]指出CFST拱桥结构在日温差、降温温差、年温差等温度荷载作用下会产生温度应力，极易导致桥梁出现裂损。

随后，许多学者围绕拱桥温度做了大量的分析研究[10-13]，但大多针对CFST拱桥在温度荷载下的结构响应量，较少讨论环境温度作用下结构设计参数对温度效应的影响。

拱桥设计参数如矢跨比和拱轴系数，直接决定了大跨度悬链线拱的拱轴线形[14-16]，对拱桥受力性能影响显著，因此有必要研究拱轴系数和矢跨比对温度效应的影响规律。

线膨胀系数是有限元模型材料关键参数，对温度效应影响显著。

规范中对CFST材料线膨胀系数取值有着不同的规定[17-19]，因此有必要研究CFST材料线膨胀系数取值对温度效应的影响。

为此，本文采用有限元软件ANSYS建立某中承式CFST拱桥空间有限元模型，讨论温度荷载作用下拱肋的内力分布规律及设计控制截面，并研究材料线膨胀系数、矢跨比和拱轴系数对温度效应的影响规律。

1 工程概况
某中承式CFST桁式拱橋，桥梁总长为358.42 m，主桥长为228 m。

主拱线形为倒悬链线，桥梁净跨径L=
210 m，净矢高S=52.5 m，矢跨比S/L=1/4，拱轴系数m=1.45；拱间距为17.8 m，沿纵桥向吊杆间距为8.0 m；桥面系采用钢格构梁-混凝土铺装的组合结构。

桥型立面图如图1所示，桥址区处多年平均气温约20℃[20]。

主拱为变截面，拱脚位置截面高为6 m，拱顶位置截面高为3.8 m，拱肋分别采用800 mm×18 mm和800 mm×16 mm的CFST截面，如图2所示。

CFST截面采用Q345钢材，内填C55微膨胀混凝土，拱肋各截面参数如表1所示。

2 有限元模型
建立CFST统一截面。

基于ANSYS的复合截面功能，分别将钢材、混凝土的材料属性赋予自定义的复合截面，如图3所示。

温度荷载下钢管混凝土拱桥设计参数分析/戎艳，解威威，王洪刚，叶志权，李世俭
除拱肋采用CFST截面、桥面板采用Shell63单元板、吊杆采用Link8空间杆单元，其余构件均采用Beam189单元模拟，部分模型细部如图4和图5所示。

单元间的变形协调通过共节点实现，全桥空间有限元模型如图6所示。

环境温度采用体荷载的形式施加。

钢管混凝土拱桥在-20℃～50℃范围内均能正常工作[21-22]，故材料属性不受温度影响。

Q345钢管弹性模量E s=2.06×105 MPa，泊松比υs=0.3，密度
ρ=7 850 kg/m3，线膨胀系数α=1.2×10-5/℃；钢管内采用C55混凝土，弹性模量E c=3.55×104 MPa，泊松比υc=0.2，密度ρ=2 549 kg/m3，线膨胀系数α=1.0×10-5/℃。

3 温度效应影响因素分析
3.1 线膨胀系数
CFST国标（文献[18]）建议钢材和核心混凝土分别取各自的线膨胀系数，即钢材线膨胀系数αs=1.2×10-5/℃，混凝土线膨胀系数αc=1.0×10-5/℃；CFST拱桥国标（文献[17]）建议CFST的钢材和核心混凝土线膨胀系数按照面积等效换算，统一取值；CFST拱桥行标（文献[19]）建议CFST的钢材和核心混凝土线膨胀系数统一取为钢材的线膨胀系数αs。

基于800 mm×18 mm CFST截面和材料参数，对比以上三种线膨胀系数取值，计算结果如表2所示，其中αsc表示CFST的线膨胀系数。

由表2可知，不同规范间的计算结果差别较大，因此，有必要讨论不同线膨胀系数取值对温度效应的影响。

基于建立的全桥模型，温度荷载设定为降温21℃，计算三种线膨胀系数取值下，主拱肋各控制截面的内力响应。

进一步分析计算结果，以CFST拱桥国标的计算结果为基准，其余情况的内力与基准的比值如表3所示。

由表3可知，线膨胀系数按CFST国标取值时，弯矩比值相对基准减小显著，最大为89%，位于拱顶上弦截面，轴力比值相对基准增加明显，最大为143%，位于1/4跨拱肋截面；按CFST拱桥行标取值时，弯矩比值和轴力比值均较基准增大，轴力比值最大增长为19%，位于拱脚下弦，弯矩比值最大增长为26%，位于拱脚上弦。

综上，不同线膨胀系数取值对结构温度响应量影响显著。

经对比分析，CFST国标的计算结果差异大，CFST拱桥行标计算结果稳定且偏安全，设计时应结合实际情况，推荐采用CFST拱桥国标和CFST拱桥行标中的线膨胀系数。

本文采用CFST拱桥国标的线膨胀系数取值进行后续的计算分析。

3.2 拱轴系数
在规范建议范围内，本文以拱轴系数m=1.2为基础，0.125为增量，取5组数据。

基于建立的全桥模型，温度荷载设定为降温21℃，计算拱轴系数m在1.2～1.7时，主拱肋各控制截面的内力响应。

进一步分析计算结果，以m=1.45的计算结果为基准，其余情况内力与基准的比值如表4、表5所示，以表中拱軸系数为横坐标，内力比值为纵坐标绘图，如图7、图8所示。

由表4、图7可知，上弦杆的拱顶、拱脚的轴力比值随拱轴系数增大基本呈线性递增趋势，且拱脚截面轴力比值的增速较拱顶更快，1/4跨拱肋截面轴力比值呈线性递减趋势；下弦
杆各控制截面轴力比值变化规律与上弦杆相反，不赘述。

由表5、图8可知，随着拱轴系数增大，拱顶截面上下弦杆弯矩比值基本呈线性递增趋势，1/4跨拱肋截面和拱脚截面弯矩比值基本呈线性递减趋势。

综上，不同拱轴系数取值对结构温度响应量有较大影响。

经对比分析，工程算例中拱轴系数取1.45时结构受力较优。

在进行类似工程设计时，建议拱轴系数从1.45开始试算，考虑拱桥各截面的受力状态，以确定合理的拱轴系数。

3.3 矢跨比
在规范建议范围内，本文以矢跨比=1/3.5为基础，按分母递增0.5的规律，取5组数据。

基于建立的全桥模型，温度荷载设定为降温21℃，计算矢跨比在1/3.5～1/5.5时，主拱肋各控制截面的内力响应。

进一步分析计算结果，以矢跨比取1/4的计算结果为基准，其余情况内力与基准的比值如表6、表7所示，以表中矢跨比为横坐标，内力比值为纵坐标绘图，如图9、图10所示。

由表6、图9可知，上弦杆拱顶截面和1/4跨拱肋截面的轴力随矢跨比增大基本呈线性递增趋势，且拱顶截面轴力比值增速度明显高于1/4跨拱肋截面，拱脚截面轴力比值基本呈线性递减趋势；下弦杆拱顶截面轴力比值随矢跨比增大而减小，随着矢跨比增大，1/4跨拱肋截面轴力比值基本呈线性增大趋势，拱脚截面轴力比值呈增大趋势。

由表7、图10可知，随着矢跨比增大，所有截面的弯矩比值均增大，拱顶截面和1/4跨拱助截面弯矩比值基本呈线性递增趋势，且拱顶增长更快，拱脚截面弯矩比值非线性增大。

进一步分析可知，不同矢跨比对内力影响显著，1/3.5与1/5.5两个矢跨比对应的轴力比值最大可相差0.62，弯矩比值最大可相差0.9。

综上，不同矢跨比取值对结构温度响应量影响显著。

在进行类似工程设计时，建议拱轴系数在1/4～1/4.5取值试算，考虑拱桥各截面的受力状态，以确定合理的矢跨比。

4 结语
本文基于ANSYS建立了某中承式CFST拱桥空间有限元模型，讨论了温度荷载作用下，CFST拱桥的材料线膨胀系数、拱轴系数、矢跨比对温度效应的影响规律，研究结果表明：
（1）线膨胀系数对结构温度响应量影响显著，经对比分析，CFST国标的计算结果偏差过大，最大可达143%，故推荐采用CFST拱桥国标和CFST拱桥行标中的线膨胀系数。

（2）拱轴系数对拱顶截面和拱脚截面内力影响较大，经对比分析，本文拱轴系数取1.45时结构受力较优。

在进行类似工程设计时，为快速确定拱轴系数，建议拱轴系数从1.45开始试算。

（3）矢跨比改变对拱肋结构各个控制截面内力影响均较大，矢跨比1/3.5与1/5.5对应的轴力比值最大可相差0.62，弯矩比值最大可相差0.9，在进行类似工程设计时，为快速确定矢跨比，建议拱轴系数在1/4～1/4.5取值试算。

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