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大跨度鋼箱提籃系桿拱橋成橋吊桿索力的確定方法

文檔作者：李楊文檔來源：華設設計集團股份有限公司安徽分公司		更新日期： 2026年08月27日	點擊數：
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工程前沿2025 年 第09 期 總第185 期 工程技術研究
大跨度鋼箱提籃系桿拱橋成橋吊桿索力的確定方法
李 楊
華設設計集團股份有限公司安徽分公司，安徽 合肥 230018
Determination Methods for Cable Force of Suspenders in the Completed Large-Span
Steel Box Basket-Handle Tied Arch Bridge
LI Yang
Anhui Branch of China Design Group Co., Ltd., Hefei 230018, Anhui, China
摘要：鋼箱提籃系桿拱橋是由拱肋、系梁、吊桿組成
的組合體系橋梁，為體系內高次超靜定結構。在施工
過程中，每一次吊桿張拉均會使全橋內力重新分布，
為確保成橋狀態下的結構內力、線型滿足設計要求，
需對理想的成橋吊桿索力進行研究。基于此，文章以
安徽省淮北地區某跨徑為140 m 的鋼箱提籃系桿拱橋
為研究對象，運用剛性支承連續梁法、剛性吊桿法和
最小彎曲能量法對該大跨度鋼箱提籃系桿拱橋進行索
力分析，旨在為后續確定合理施工索力提供依據。
關鍵詞：鋼箱提籃拱橋；成橋索力；剛性支承連續梁法；
剛性吊桿法；最小彎曲能量法
Abstract: The steel box basket-handle tied arch bridge
is a composite system bridge composed of arch ribs,
binders and suspenders, which is a high-degree statically
indeterminate structure in the system. During the
construction process, the internal force of the whole
bridge will be redistributed every time the suspenders are
tensioned. In order to ensure that the internal force and line
shape of the structure under the completed bridge state meet
the design requirements, it is necessary to study the ideal
cable force of the suspenders in completed bridges. Based
on this, this paper takes a steel box basket-handle tied
arch bridge with a span of 140 m in Huaibei area of Anhui
Province as the research object, and uses the rigid support
continuous beam method, the rigid suspender method
and the minimum bending energy method to analyze the
cable force of the large-span steel box basket-handle tied
arch bridge, aiming to provide a basis for the subsequent
determination of reasonable construction cable force.
DOI:10.19537/j.cnki.2096-2789.2025.09.004 .
作者簡介： 李楊，男，碩士，高級工程師，研究方向為橋梁結構
設計。
Keywords: steel box basket-handle arch bridge; cable force
of the completed bridge; rigid support continuous beam
method; rigid suspender method; minimum bending energy
method
分類號：U448.22+5
1 研究背景
近年來，系桿拱橋因其跨越能力大、建筑高度小、
橋梁美觀經濟，且結構受不均勻沉降影響小而被廣泛
應用[1]。針對寬度較小的橋梁，設計者可通常將兩側
平行的拱肋向橋梁中心軸方向傾斜一定角度，使拱肋
在橫斷面上形成類似三角式的“提籃”構造，顯著提
高橋梁的橫向穩定性[2]。但是該類橋梁具有外部靜定、
內部超靜定的結構特點，任一吊桿索力的改變都會對
成橋狀態產生影響，因此在結構布置和荷載作用基本
確定的前提下，設計者需要求解一組吊桿索力，以確
保成橋受力性能達到目標[3]。
鑒于此，文章結合具體鋼箱提籃系桿拱橋工程實
例，運用剛性支承連續梁法、剛性吊桿法和最小彎曲
能量法求解合理成橋索力，對比分析系梁、拱肋變形
及彎矩、吊桿索力，研究上述理論方法的適用性，助
力于同類系桿拱橋成橋吊桿索力的確定。
2 成橋吊桿索力的研究方法
2.1　剛性支承連續梁法
該方法的基本原理是把系梁視為具有剛性支承的
連續梁，主梁的彎矩和剛性支承的連續梁內力情況類
似，而在吊索的連接處，則把連續梁的支承反力視為
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工程技術研究 第10卷 總第185期 2025年5月 工程前沿
吊索初拉力。該方法用剛性支承取代主梁與纜索的連
接，以等效吊索的彈性約束得到的反作用力即為初始
索力，同時將系梁吊點位置處的位移假定為0，保證
成橋線型[4]。
2.2　剛性吊桿法
該方法的基本原理是假定吊桿兩端點間的相對
位移為0，其實質是拱肋、系梁的拉壓和彎曲應變能
之和達到最小。吊桿剛化后，在恒載作用下，拱肋與
系梁的豎向位移相等，通過這種方法求得吊桿的內力
即為吊桿索力。在實際建模過程中，讓吊桿容重減小
1/100，吊桿截面積增大100 倍，實現目標[5]。
2.3　最小彎曲能量法
該方法的基本原理是以拱肋和系梁的彎曲應變能
最小為目標，在有限元建模過程中，將拱肋、系梁和
吊桿的截面積放大1×106 或縮小1×10-6，保證結構其
他參數不變，在恒載作用下，將結構軸力及剪力引起
的彎曲應變能控制在最小。此時，吊桿變形較小且滿
足線彈性，由此求得的索力即為最優索力[6]。
3 工程實例及建模
文章以某跨徑為140 m 的鋼箱提籃系桿拱橋為工
程實例，采用上述理論方法計算求得成橋狀態彎矩分
布及吊桿索力。該橋主跨為140 m，為下承式鋼箱提籃
系桿拱橋，計算跨徑為136.20 m，計算矢高為27.24 m，
矢跨比為1 ∶ 5。拱軸線采用拋物線，拱肋內傾角度
為10.0°，橋梁全寬17.8 m，拱肋通過5 道“一”字
型橫向風撐連為一體。
主拱為矩形鋼箱截面，寬1.5 m，高2.2 m，系梁
為平行四邊形布置，腹板與底板夾角為80.0°。系梁腹
板間距為1.5 m，梁高2.2 m，箱型風撐為矩形鋼箱截面，
寬1.0 m，高1.5 m。吊桿采用預應力鋼絞線，吊桿間
距為6.8 m，全橋共設置18 對吊桿，編號為S1 ～ S18。
主橋總體布置如圖1 所示。
圖1 主橋總體布置示意圖（單位：cm）
借助有限元分析軟件構建該橋梁的有限元模型，
包含1 149 個節點及2 247 個單元，主橋有限元模型如
圖2 所示。在模型構建過程中，針對不同的結構構件，
采用相應的單元類型進行模擬。其中，拱肋、系梁及
橫梁部分，運用空間梁單元進行模擬；吊桿部分選用
只受拉不受壓的桁架單模擬。文章僅建立主橋上部結
構模型，各構件采用剛臂連接。荷載主要包括自重、
橋面鋪裝、吊桿張拉力及系桿預應力。模型中各構件
材料及幾何特性參數如表1 所示。
圖2 主橋有限元模型圖
表1 構件材料及幾何特性參數分析表
構件彈性模量/GPa 截面慣性矩/m4 截面積/m2
拱肋206 0.081 9 0.226 2
系梁206 0.087 6 0.223 1
吊桿205 0 0.002 1
4 計算結果及分析
利用剛性支承連續梁法、剛性吊桿法和最小彎曲
能量法對該大跨度鋼箱提籃系桿拱橋進行索力分析，
得出各吊桿的成橋索力計算值如表2 所示。
表2 成橋索力計算值（從梁端到跨中吊桿）分析表
吊桿編號
各計算方法的成橋索力值/kN
剛性支承
連續梁法
剛性吊桿法
最小彎曲
能量法
S1（邊吊桿） 916 840 554
S2 699 786 642
S3 736 728 680
S4 734 739 700
S5 734 719 709
S6 734 672 711
S7 734 675 713
S8 734 688 714
S9（中吊桿） 734 663 714
拱肋和系梁成橋狀態下的彎矩及位移如圖3 和圖4
所示。
從上述計算結果分析可知，剛性支承連續梁法計
算得出的吊桿索力不均勻，相鄰吊桿變化較大，最大
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工程前沿2025 年 第09 期 總第185 期 工程技術研究
相差可達217 kN，且靠近梁端的邊吊桿索力明顯偏大，
不符合長吊桿索力較大，短吊桿索力較小的原則，容易
引起短吊桿的脆性斷裂破壞。剛性支承連續梁法僅以系
梁位移為約束條件，未能充分考慮吊桿的變形協調能力
及拱肋的作用，使主梁彎矩沒有呈現正負交替的變化形
式，這與剛性支承連續梁的理論假定也不相符[7]。
剛性吊桿法成橋索力變化趨勢與剛性支承連續
梁法一致，系梁跨中彎矩達到4 996 kN·m，端部
彎矩-9 503 kN·m，系梁跨中撓度達到144 mm ；拱
肋跨中彎矩3 951 kN·m，端部彎矩-2 694 kN·m，
拱肋跨中撓度達到142 mm。該方法以拱肋和系梁之間
的相對位移為優化目標，忽略了拱肋和系梁之間的剛
度比，造成拱肋和系梁的位移較大，成橋狀態下線型
較差[8]。
相對于前述兩種方法，最小彎曲能量法的索力
均勻分布，符合長吊桿索力大，短吊桿索力較小的原
則，有利于主梁施工控制及吊桿張拉。系梁跨中彎矩
為2 149 kN·m，端部彎矩-9 754 kN·m，系梁跨中
撓度為69 mm ；拱肋跨中彎矩1 019 kN·m，端部彎
矩-1 222 kN·m，拱肋跨中撓度達到20 mm。
5 結論
文章以皖北地區某大跨度鋼箱提籃系桿拱橋為實
例，運用剛性支承連續梁法、剛性吊桿法與最小彎曲
能量法，對比分析吊桿成橋索力、拱肋及系梁的彎矩
與位移，得出如下結論：
（1）剛性支承連續梁法將吊桿與主梁連接處等效
為連續梁的剛性支承，該方法確定成橋索力時，力學
概念清晰、計算簡便，但僅考慮主梁的受力狀況，計
算得出的索力不盡合理，不能作為參考依據指導施工。
因此，該法適用于拱肋剛度遠大于系梁剛度或拱梁鉸
接的系桿拱橋。
（2）剛性吊桿法計算成橋索力雖較為均勻，但易
引起拱肋和系梁跨中大幅度下撓，成橋線型較差。究
其原因，是該方法主要考慮拱肋受力，只有當拱肋、
系梁、吊桿均為剛性時，成橋狀態才能更合理。
（3）前述兩種方法是以位移或者位移差作為控制
目標，考慮因素較為單一，不適合大跨度復雜橋梁成
橋索力計算。最小彎曲能量法計算成橋索力變化均勻，
充分考慮長短吊桿的特性及變形協調能力，保證了拱
肋和系梁的彎曲能量最小時，兩者位移也較小，因此
適用于剛性拱梁、柔性吊桿的系桿拱橋，所得索力能
為進一步優化處理提供科學依據。
參考文獻
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（a）剛性支承連續梁法
（b）剛性吊桿法
（c）最小彎曲能量法
圖3 成橋狀態彎矩簡圖（單位：kN·m）
（a）剛性支承連續梁法
（b）剛性吊桿法
（c）最小彎曲能量法
圖4 成橋狀態位移簡圖（單位：mm）

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