客運專線剛架系桿拱橋受力狀態(tài)研究

摘要:昌九城際間客運專線上的永修特大橋是一座剛架系桿拱橋，這種橋型在鐵路橋梁上是首次應(yīng)用。對剛架系桿拱橋作了全橋空間有限元分析、拱墩連接處局部空間有限元分析和1:3縮尺模型試驗。研究結(jié)果表明:剛架系桿拱橋的預(yù)應(yīng)力混凝土主梁由于和系桿分離，其受力行為相當(dāng)于彈性支承上的連續(xù)梁，較普通系桿拱橋有很大改善;鋼箱拱肋受力行為與普通系桿拱橋類似;墩拱節(jié)點是剛架系桿拱橋的關(guān)鍵部位，永修特大橋墩拱節(jié)點由于采用了足夠多的栓釘、PBL鍵和足夠大的螺紋鋼筋預(yù)壓應(yīng)力，結(jié)構(gòu)牢固，承載力很大，傳力順暢;剛架系桿拱橋在客運專線上的應(yīng)用是完全可行的。

關(guān)鍵詞:有限元;模型試驗;剛架系桿拱橋;客運專線;墩拱節(jié)點

中圖分類號:U448.36文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

Mechanical Behavior of Rigid Frame Tied-arch Bridge on Passenger Dedicated Railway

YI Lun-xiong， ZHANG Ye-zhi， XU Shu-lei

(School Of Civil Engineering，Central South Univ，Changsha，Hunan410075，China)

Abstract: Yongxiu bridge of Nanchang-Jiujiang passenger dedicated railway is a rigid frame tied-arch bridge which is applied on railway the first time. In this paper the mechanical behavior of rigid frame tied-arch bridge is studied based on 3D finite element analysis and 1:3 scale model test of pier-arch joint. The mechanical behavior of prestressed concrete beam which separated from the tie bar is similar to continuous beams support by elastic supports， and better than that of general tied-arch bridge. However the mechanical behavior of the arch is similar to that of general tied-arch bridge. Pier-arch joint is the key part of rigid frame tied-arch bridges. Because enough studs and PBL shear connectors were arranged， and enough prestress was used， the pier-arch joint of Yongxiu bridge has enough margin of safety and transfer forces smoothly. The application of rigid frame tied-arch bridge on passenger dedicated railway is feasible.

Key words: finite element method; model test; rigid frame tied-arch bridge; passenger dedicated railway; pier-arch joint

剛架系桿拱橋是在拱橋中出現(xiàn)的新橋型。其結(jié)構(gòu)和受力特點是拱墩固結(jié)，不設(shè)支座，系桿獨立于橋面系之外，橋面系為局部受力構(gòu)件，僅承受橋面荷載，不參與結(jié)構(gòu)整體受力;橋面系的荷載通過吊桿傳遞至拱肋，轉(zhuǎn)化為拱肋內(nèi)的軸向力;拱腳軸向力豎向分力由橋墩傳遞至基礎(chǔ)，水平分力由橋墩間張拉的系桿力平衡[1]。

剛架系桿拱是一種自平衡的橋梁，由于系桿的存在，降低了對下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的要求;與連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)和斜拉橋相比，它無需副跨，又能有較大的跨越能力，且施工快捷，橋面建筑高度小，對不良地質(zhì)條件適應(yīng)性好，因此在跨越鐵路、公路和運河橋中，具有很強的競爭力。

目前國內(nèi)對剛架系桿拱橋的應(yīng)用與研究集中于公路橋梁上，如河南安陽文峰路立交橋、深圳北站大橋、四川成都青龍場立交橋、東莞大汾北水道橋等，尚未見鐵路上的應(yīng)用和研究[2-6]。鐵路橋的活載遠(yuǎn)大于公路橋梁，客運專線對橋梁剛度等的要求也遠(yuǎn)高于普通鐵路和公路，因此，對客運專線剛架系桿拱橋的應(yīng)用進(jìn)行研究是有必要的。

墩拱節(jié)點處是剛架系桿拱橋的關(guān)鍵部位。該處拱肋、墩柱、橋面系等交織在一起，結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜;不僅要受拱肋傳來的彎矩、軸力及系桿拉力作用， 同時要承受橋面系傳來的彎矩、剪力等作用，還要受橋墩處豎向反力的影響，受力情況十分復(fù)雜。且由于構(gòu)造和受力上的復(fù)雜性及不具普遍性， 對于墩拱節(jié)點的應(yīng)力分析必須要具體橋梁具體分析[7-9]。

永修特大橋是昌九城際客運專線的重要橋梁，其主跨為128m剛架系桿拱橋，這是剛架系桿拱橋在鐵路橋梁上的首次應(yīng)用。墩拱節(jié)點是該橋的關(guān)鍵部位之一，包括墩、拱固結(jié)處和鋼箱拱肋與混凝土的連接處，結(jié)構(gòu)構(gòu)造和受力情況都很復(fù)雜。

本文對永修特大橋128m剛架系桿拱橋作了全橋空間有限元分析、墩拱節(jié)點局部有限元分析和大比例縮尺模型試驗，對剛架系桿拱橋的受力特性作較為系統(tǒng)的研究。研究成果已應(yīng)用于永修特大橋128m剛架系桿拱橋的設(shè)計，這種橋型在客運專線上的應(yīng)用是完全可行的。

1結(jié)構(gòu)簡介

昌九城際間客運專線上的永修特大橋，位于江西省永修縣境內(nèi)，跨越修水河，其主橋為32.5+128+32.5 m的下承式剛架系桿拱橋。該橋主拱拱肋采用等截面鋼箱雙肋平行拱結(jié)構(gòu)，鋼材為Q345qD，拱肋中心距為15.6 m，計算跨度為128 m，矢跨比為1/4，拱肋軸線采用二次拋物線，如圖1所示。主梁為等高單箱雙室的預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用分段現(xiàn)澆支架施工;全橋共設(shè)14道吊桿橫梁，與箱梁等高;主橋設(shè)14對吊桿，每根吊桿鋼索分別由55～127根ф7 mm的鍍鋅高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絲組成;系桿采用8根可換索式鋼絞線，每根系桿由53根Φj15.24 mm鍍鋅涂油外包PE鋼絞線，抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值為fpk=1860 MPa。

352、353號主墩采用雙柱式門形剛構(gòu)墩，由矩形橋墩和矩形橫梁組成。橋墩截面的縱向長度為5.0 m，橫向?qū)挾葹?.2 m;矩形橫梁的寬度為4.5 m，中心高度為3.0 m。橋墩橫梁上方及橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用C50混凝土。橋墩下方為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。主橋的梁部支承在橋墩橫梁上，橫梁內(nèi)設(shè)фj15.2 mm鋼絞線，兩端張拉。圖2是橋墩和橫梁正面圖。

圖1橋梁總體布置圖 (單位:cm)

Fig.1 Elevation view of Yongxiu bridge (cm)

拱座為變截面鋼筋混凝土實心截面，鋼箱拱肋與拱座混凝土交接面處設(shè)置厚度為50 mm的承壓板(N8)，順著鋼箱拱肋的頂、底、腹板增設(shè)加勁肋，并通過Φ32 mm的預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋的預(yù)應(yīng)力使鋼拱肋與混凝土緊密連接，預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋上端錨固于承壓板上鋼箱拱肋的上錨板(N6、N7)處，其下錨固于拱座混凝土處的預(yù)埋錨板(N16)處。在承壓板下，連接有預(yù)埋鋼板(N13、N14)與鋼箱拱肋的頂、底、腹板及加勁肋板對應(yīng)，預(yù)埋鋼板上設(shè)置有Φ60 mm的圓孔，內(nèi)設(shè)Φ25 mm的普通鋼筋穿過，形成PBL連接方式，預(yù)埋鋼板下端設(shè)置有長圓形孔，方便混凝土澆筑。在承壓板(N8)上方至鋼箱拱肋錨板(N6、N7)內(nèi)，也灌注C50混凝土。圖3是鋼-混連接段鋼結(jié)構(gòu)圖。

圖2橋墩和橫梁正面圖

Fig.2 front view of pier and crossbeam

圖3鋼-混連接段鋼結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.3 Steel structure of steel-concrete joint

2全橋受力特性分析

全橋空間有限元分析模型見圖4。分析模型中，鋼箱拱肋、橫撐、墩柱和支座橫梁均采用空間梁單元;預(yù)應(yīng)力混凝土單箱雙室主梁采用空間板殼元;吊桿和系桿均采用桿單元。分析軟件采用ANSYS。橋梁活載采用雙線ZK活載，按照影響線進(jìn)行最不利布置加載，考慮列車豎向動力作用。

圖4全橋空間有限元模型

Fig.43D Finite element model of Yongxiu bridge

2.1橋梁剛度分析

雙線最不利活載作用下，主梁中跨跨中的最大撓度為60.34 mm，撓跨比為1/2121，小于規(guī)范(鐵建設(shè)[2005]140號:新建時速200～250公里客運專線鐵路設(shè)計暫行規(guī)定)規(guī)定的L/1200[10];邊跨跨中的最大撓度為12.94 mm，撓跨比為1/2512，小于規(guī)范規(guī)定的L/1500，剛度符合客運專線的要求。

2.2主梁受力特性分析

恒載作用下，考慮施工過程，預(yù)應(yīng)力混凝土主梁在順橋向全部受壓，最大壓應(yīng)力為9.11MPa，發(fā)生在支座橫梁外側(cè)約3米處;大部分區(qū)域壓應(yīng)力在7MPa左右，在吊桿橫梁與主梁相交處應(yīng)力值有突變，從7MPa降至大約3MPa。活載單獨作用下，主梁的應(yīng)力很小，在順橋向最大拉、壓應(yīng)力分別為1.58MPa、1.16MPa。恒載和活載共同作用下，主梁沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大壓應(yīng)力為9.33MPa。

剛架系桿拱橋的預(yù)應(yīng)力混凝土主梁由于和系桿分離，不受軸拉，其受力行為相當(dāng)于彈性支承上的連續(xù)梁，較普通系桿拱橋有很大改善。

2.3拱肋受力特性分析

恒載作用下，拱肋均受壓，軸力從拱頂向拱腳逐漸增大，在鋼箱拱肋與混凝土拱座相交的地方(即拱腳)軸力最大。該區(qū)域是鋼向混凝土的過度段，受力比較復(fù)雜。

恒載作用下拱肋的順橋向應(yīng)力見圖5。由該圖可見，拱肋順橋向最大壓應(yīng)力不超過120MPa，大部分區(qū)域在80MPa左右。鋼箱拱肋受力較均勻，只在拱肋與吊桿相交處應(yīng)力發(fā)生突變，頂板應(yīng)力變大，底板變小，但變化幅度并不大。活載單獨作用下，拱肋的最大壓應(yīng)力為46.8MPa。恒載和活載共同作用下拱肋的最大壓應(yīng)力為153.8MPa，小于Q345qD鋼材的容許應(yīng)力。

鋼箱拱肋受力較均勻，其受力行為與普通系桿拱橋類似。

圖5 恒載作用下順橋向正應(yīng)力

Fig.5stress of arch under dead load

3 墩拱節(jié)點局部有限元分析

對墩拱節(jié)點作精細(xì)的局部有限元分析。根據(jù)圣維南原理，拱墩連接處局部模型在墩柱、橫梁和鋼箱拱肋上的截取都應(yīng)有足夠長度。因此，將墩柱在承臺上方截斷，橫梁在橋梁中心線處截斷，鋼箱拱肋在順橋向距起拱點約8m處截斷，見圖6。

圖6 墩拱節(jié)點局部

Fig.6pier-arch joint

計算軟件采用ANSYS。局部模型使用三種單元:混凝土采用實體單元solid92;鋼板采用空間板殼元shell43;預(yù)應(yīng)力螺紋鋼筋采用桿單元link8。由于結(jié)構(gòu)中有足夠多的剪力釘和PBL剪力連接件，模擬時忽略鋼與混凝土之間的滑移[11-15]。局部有限元模型共有174909個單元，227550個節(jié)點。局部有限元模型見圖7。

所有內(nèi)力邊界條件以及橫梁上支座處施加的反力全部從全橋空間有限元分析中獲取，墩底采用等代剛度法模擬樁基和承臺對墩底的作用。對局部模型在以下四種荷載工況下的受力狀態(tài)進(jìn)行分析:

工況1:成橋狀態(tài)恒載;

工況2:恒載+軸力最不利活載工況;

工況3:恒載+面內(nèi)彎矩最不利活載工況;

工況4:恒載+面外彎矩最不利活載工況。

各工況對應(yīng)的內(nèi)力和支座反力見表1。

由于墩拱節(jié)點結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，為描述方便，將其劃分為鋼-混連接段、拱座、拱墩固結(jié)處和墩柱(包括橫梁)四個區(qū)域，見圖8。

四種荷載工況下，盡管應(yīng)力值大小有所不同，但相差不大，且總體應(yīng)力分布規(guī)律相似，因此，以下所示結(jié)果均為四個工況中的最大應(yīng)力值。

圖7局部有限元模型圖8模型區(qū)域劃分

Fig.7Refined finite element model of pier-arch joint

Fig.8Model regionalism

3.1鋼-混連接段受力狀態(tài)分析

鋼-混連接段結(jié)構(gòu)合理，傳力較均勻。鋼-混連接段的鋼構(gòu)件應(yīng)力均小于Q345qD鋼材的容許應(yīng)力，且有較大的余量。連接段內(nèi)的拱肋、承壓板和PBL鋼板等鋼構(gòu)件大部分區(qū)域等效應(yīng)力不超過76.1MPa，只在拱肋鋼箱與鋼-混連接段連接處上方的鋼箱拱肋底板縱肋局部角點應(yīng)力較大。圖9是鋼-混連接段鋼構(gòu)件的等效應(yīng)力。由于鋼混連接段變截面部分內(nèi)部密布很多豎向加勁肋，因此該區(qū)域內(nèi)大部分混凝土壓應(yīng)力都很小，只在加勁肋和混凝土相交的局部角點出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，但區(qū)域很小，不影響鋼、混凝土共同受力。

3.2拱座受力狀態(tài)分析

分別對考慮螺紋鋼筋預(yù)應(yīng)力和不考慮螺紋鋼筋預(yù)應(yīng)力作用兩種情況進(jìn)行了分析。拱座混凝土基本都處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力不超過7.4MPa，應(yīng)力分布較均勻。螺紋鋼筋預(yù)應(yīng)力只對預(yù)埋錨板N16上方的混凝土產(chǎn)生效應(yīng)，N16板以下部分不受影響。拱肋軸壓力很大，當(dāng)不考慮螺紋鋼筋預(yù)應(yīng)力作用時，拱座混凝土已經(jīng)處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力不超過4.0MPa。施加預(yù)應(yīng)力的目的是為了使鋼拱肋與混凝土更好的連接在一起，共同受力，且避免混凝土出現(xiàn)拉應(yīng)力。因此，預(yù)應(yīng)力可適當(dāng)減小。

3.3 拱墩固結(jié)處受力狀態(tài)分析

拱座主應(yīng)力的方向基本都是沿拱軸向，墩柱主應(yīng)力的方向都是沿豎直方向，但拱墩固結(jié)處是拱肋軸向力向豎向力和水平力轉(zhuǎn)化的過渡段，因此受力比較復(fù)雜。根據(jù)四種荷載工況的有限元分析，該區(qū)域除去系桿錨固處外，大部分區(qū)域應(yīng)力值都很小。在系桿錨固處，由于系桿拉力很大，故錨墊板板下出現(xiàn)較大的壓應(yīng)力，而四周則出現(xiàn)拉應(yīng)力，但受拉范圍很小，且實際結(jié)構(gòu)在墩柱的上部配置有豎向預(yù)應(yīng)力筋，拉應(yīng)力會減小，因而可不作為主要的應(yīng)力集中區(qū)。

圖9鋼-混連接段鋼構(gòu)件等效應(yīng)力

Fig.9Equivalent stress of steel-concrete joint

3.4墩柱和橫梁受力狀態(tài)分析

對墩拱節(jié)點在相同荷載工況、不同系桿拉力作用下進(jìn)行受力分析，結(jié)果表明，系桿拉力大小只影響系桿以下部分墩柱的受力情況，對系桿以上部分幾乎無影響，若系桿拉力小于拱肋水平方向的分力，在順橋向墩底內(nèi)側(cè)會出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力。圖10是設(shè)計系桿力作用下墩柱和橫梁豎向應(yīng)力圖。墩柱最大壓應(yīng)力值為-10.2MPa，發(fā)生在橫梁與墩柱相交的下部;在橫梁和墩柱相交的上部出現(xiàn)1.81MPa橫橋向的拉應(yīng)力，主要是由于集中力作用在橫梁上，使橫梁與墩柱相交的上部產(chǎn)生較大的負(fù)彎矩，而在實際結(jié)構(gòu)中橫梁和墩柱形成一個剛架，橫梁兩端施加有橫向預(yù)應(yīng)力，故拉應(yīng)力會減小。

由墩拱節(jié)點局部分析可知，墩拱節(jié)點結(jié)構(gòu)牢固，承載力很大，傳力流暢。但在施工過程和橋梁使用期間，墩柱和基礎(chǔ)有可能要承受一定的水平推力，橫梁要承受混凝土梁體傳遞的豎向作用力，因此，墩柱和橫梁要確保有很強的抗彎剛度，基礎(chǔ)要確保有足夠的抗推剛度，以防止出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力而不能滿足使用的要求。

圖10墩柱和橫梁豎向應(yīng)力

Fig.10Vertical stress of pier column and crossbeam

4 墩拱節(jié)點模型試驗

4.1試驗?zāi)Ｐ透艣r

對修水橋墩拱節(jié)點作了1:3縮尺模型試驗。采取以下加載方式:模型系桿端部通過鋼錨箱錨固于承壓板上，承壓板錨固在剪力墻上;拱肋端截面焊接加強板，通過液壓千斤頂對拱肋端截面施加荷載，見圖11。模型內(nèi)部和外部均布置了應(yīng)變片和應(yīng)變花，由DH3816和DH3818應(yīng)變采集儀采集應(yīng)變數(shù)據(jù)，并直接輸入計算機中。圖12為模型試驗中的試件。

4.2試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)果表明，在四種荷載工況(荷載工況與實橋分析對應(yīng))下，盡管應(yīng)力值大小有所不同，但相差不大，且總體應(yīng)力分布規(guī)律相似，因此本文僅對墩拱節(jié)點在工況2作用下不考慮預(yù)應(yīng)力時的主應(yīng)力及壓應(yīng)力等進(jìn)行分析。

(1)圖13、14給出了不考慮預(yù)應(yīng)力作用時拱座處混凝土第一、第三主應(yīng)力和鋼-混連接段外部鋼板兩側(cè)軸向應(yīng)力曲線。由這些圖可見，試驗值和理論值吻合較好，試驗值略小于理論值。其中混凝土應(yīng)力實測值與理論值差別略大，是因為理論分析中沒有考慮普通鋼筋的作用，而墩拱節(jié)點處普通鋼筋很密集。

(2)圖15是墩拱固結(jié)處不考慮預(yù)應(yīng)力作用時的主應(yīng)力分布。由該圖可見，墩拱固結(jié)處主要以受壓為主，且壓應(yīng)力都很小。拱座上主應(yīng)力基本是沿拱軸向的，墩柱主應(yīng)力沿豎直方向，與理論分析結(jié)果一致。

(3)不施加螺紋鋼筋預(yù)應(yīng)力時預(yù)埋錨板N16上方區(qū)域混凝土都是受壓的，實測壓應(yīng)力在1.0~4.0MPa，加上預(yù)應(yīng)力以后，該區(qū)域的混凝土表面的壓應(yīng)力為3.4~6.3MPa。

(4)剪力釘和PBL剪力連接件的合理應(yīng)用有效加強了鋼拱肋和混凝土拱座的連接，使鋼-混連接段的鋼板與混凝土共同受力，保證了拱肋軸向力的均勻傳遞。

圖11 加載裝置示意圖

Fig.11Loading system

圖12 模型試驗中的試件

Fig.12specimen under test

圖13混凝土拱座外側(cè)第一、第三主應(yīng)力

Fig.13The first and third principal stress of outer concrete support

GW—外側(cè)GN—內(nèi)側(cè)

圖14鋼-混連接段外部鋼板兩側(cè)軸向應(yīng)力

Fig.14Axial stress of the outer steel of steel-concrete joint

(a)內(nèi)側(cè)(b)外側(cè)

圖15 拱墩固結(jié)處主應(yīng)力

Fig.15principal stress of pier-arch fixed joint

5 結(jié)論

1. 剛架系桿拱橋的預(yù)應(yīng)力混凝土主梁由于和系桿分離，不受軸拉，其受力行為相當(dāng)于彈性支承上的連續(xù)梁，較普通系桿拱橋有很大改善。鋼箱拱肋主要受軸壓作用，受力較均勻，其受力行為與普通系桿拱橋類似。

2. 墩拱節(jié)點是剛架系桿拱橋的關(guān)鍵部位，結(jié)構(gòu)構(gòu)造和受力狀態(tài)都很復(fù)雜。永修特大橋128m剛架系桿拱橋墩拱節(jié)點采用足夠多的栓釘、PBL鍵和足夠大的螺紋鋼筋預(yù)壓應(yīng)力，使墩拱節(jié)點結(jié)構(gòu)牢固，承載力很大，傳力順暢。

3. 永修特大橋128m剛架系桿拱橋有足夠的強度和剛度，受力合理，表明剛架系桿拱橋在客運專線上的應(yīng)用是完全可行的。

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