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三主桁连续钢桁拱桥活载下的空间受力特性分析

摘要：东平水道桥是武广高速铁路上一座四线铁路桁架拱桥，主跨结构为

99+242+99m的三主桁连续钢桁拱。三主桁作为一种新型的空间结构形式，其受

力特性值得研究。本文以其为工程背景，对其各主桁杆件在不同活载作用下的静

力特性进行了研究。为设计提供依据和给同类桥梁提供参考。

关键字：三主桁，钢桁拱，受力特性分析

1工程背景简介

东平水道桥是新建武广客运专线新广州站前跨越东平水道的一座四线铁路

特大桥主桥，采用连续钢桁拱结构，孔跨为（99+242+99）米，支座中心至梁端

1米，主桥全长442米。边跨平行弦桁高14米，拱顶桁高9米，加劲弦高20米，

拱肋采用二次抛物线，下拱圈矢跨比1/4，最大吊杆长度40.5米；横桥向采用三

主桁形式，桁间距初定2×14.0米。，左侧为两线武广客运专线铁路，线间距5.0

米，右侧是两线广茂线铁路，线间距4.6米。全桥节间距（及横梁间距）为11.0m，

横肋间距离为2.75m，布置在横梁之间。全桥主桁节点采用整体节点形式，与各

受力杆件在节点外用高强螺栓连接。节点采用Q370qE及Q370qD钢材，钢板厚

度从8mm～56mm不等。主桁上、下弦杆加劲弦、竖腹杆、斜腹杆均采用箱型

截面，平联、横梁和横肋均采用工字型截面。桥式布置图见图1。

图1东平水道连续钢桁拱桥桥式布置图

2有限元模型

2.1计算模型

本文选用midas软件建立东平水道桥的空间杆系有限元模型，进行整体分

析。共设节点8163个，划分单元16846个。结构计算模型如图2。

图2全桥计算模型

3.2边界条件

在各桥墩三片主桁下均设置支座，具体布置形式如图3。在模型中通过约束

对应位置节点的各项自由度来实现。

图3全桥支座布置图

3结果分析

3.1支反力结果分析

本结构是三跨连续钢桁拱桥，为正对称结构，自重作用下，结构的反力应是

正对称的。表1给出了自重下各支座处的支反力汇总表。从中可以得出：在自重

作用下，边跨位置中支座反力是边支支座反力的1.6倍，中跨位置中支座反力是

边支座反力的1.1倍。分析原因可以认为是边墩处三个支座在横桥向体现了两跨

连续梁的受力特性，而中墩处三个支座的支反力比较接近，体现了三主桁这种结

构的受力特性。

表1自重下的支反力表（单位：kN）

中/边1.61.61.11.1

3.2主桁杆件受力特性

内力符号规定：轴力以受拉为“+”，受压为“-”。对于对称内力仅给出1/2桥

的值。

3.2.1在全桥满布活载作用下主桁杆件内力分布

图4为结构在全桥满布活载作用下上弦杆、拱拱下弦杆轴力图。

图4b拱拱下弦杆轴力图

图4主桁杆件在全桥满布荷载作用下内力分布图

从上可以看出，在全桥满布活载作用下，主桁各杆件受力有如下规律：

上弦杆的轴力分布规律与受力相同的同跨连续梁的弯矩图相似，拱拱下弦杆

及拱脚处加劲弦的轴力分布规律与它们在全桥中布置的几何形状相似。拱拱下弦

杆受力均为压力；上弦杆受力从5号杆件到10号杆件为拉力，其余均为压力。

三片主桁对应的杆件轴力的分配不同，中桁拱拱下弦杆受力基本比边桁的

大，其比值在1.1～1.43之间；中桁上弦杆受力基本比边桁的大，客运专线侧上

弦杆与中桁上弦杆的比值为0.62～2.12，平均为1.26，1级干线侧上弦杆与中桁

上弦杆的比值为0.55～1.44，平均为1.07。

3.2.2全桥偏载作用下主桁杆件内力分布

全桥偏载的情况考虑两种：一线“中-活载”偏载和两线“中-活载”偏载。

对于一线“中-活载”偏载，图5给出了主桁各受力杆件的轴力图。

图6b拱下弦杆轴力图

图6两线活载偏载下各主桁杆件内力分布图

对比分析两种偏载作用下，各主桁受力杆件的特点：

（1）两中工况下主桁杆件的受力图形形状一致，且与全桥满布活载工况下

的各杆件受力图形状一致。

（2）三片主桁对应的杆件轴力的分配不同，但是两工况下的规律一致。但

对于二线活载偏载，其I级干线侧与客运专线侧的上弦杆和