某公鐵兩用鋼桁架拱橋方案靜動力分析

謝海清，李亞東

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031;2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 土木建筑研究一院，成都 610031)

鋼桁架拱橋是一種傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)，20世紀(jì)發(fā)達(dá)國家已建成大量的鋼桁架拱橋，最具代表性的是澳大利亞悉尼大橋。隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)和建橋技術(shù)的發(fā)展，鋼桁架拱橋開始在鐵路工程上陸續(xù)采用［1］。我國已建成的宜萬鐵路萬州長江鋼桁架拱橋，橋跨布置為(168+360+168)m，該橋?yàn)閱尉€鐵路橋，橋面采用單層鋼桁結(jié)構(gòu)［2］。而正在建設(shè)的重慶朝天門長江大橋，橋跨布置為(190+552+190)m，橋面系鋼桁梁，分為上下兩層，上層6車道公路，下層2車道公路和雙線城市軌道交通橋。

1 工程概述

某跨江鐵路大橋與公路大橋，均位于風(fēng)景區(qū)且相隔只有幾百米，給公路橋與鐵路橋合修提供了條件。結(jié)合地形及風(fēng)景區(qū)環(huán)境，本橋采用主跨為(108+384+168)m的鋼桁架拱橋跨越。按照公路、鐵路橋合修及分修方案，本橋橋面系設(shè)計(jì)考慮單層橋面和雙層橋面兩個(gè)方案。與鐵路橋相比，公鐵兩用鋼桁架拱橋增加了一層公路橋面。在我國已建成的公鐵兩用橋中，多采用公路在上層，鐵路在下層的布置形式;而本橋?yàn)轫槕?yīng)公路及鐵路線路要求，采用公路在下層，鐵路在上層的橋面布置方案。下面介紹公鐵兩用橋方案的主橋設(shè)計(jì)。

1.1 鋼桁拱結(jié)構(gòu)

桁架拱拱頂桁高為9 m，拱腳處桁高為53 m;系桿桁梁中心至桁拱拱頂下弦桿中心高96 m，中支點(diǎn)下加勁腿高24 m，拱肋上、下弦桿分別采用不同方程的二次拋物線。

1.2 橋面系

橋面系為鋼桁梁，節(jié)間長度12 m，桁寬18 m，桁高16 m;主桁桿件斷面形式根據(jù)桿件的受力類型分別選用箱形或 H形，主桁桿件外寬 800 mm，高 420～1 200 mm。吊桿、系桿與主桁其它桿件一樣，都采用焊接斷面的鋼桿件。鋼梁桿件采用Q370D鋼材。

1.3 下部結(jié)構(gòu)

橋墩采用空心墩，材料為C40鋼筋混凝土。兩橋墩墩高分別為106 m及88 m，順橋向采用11 m，橫橋向采用22 m，壁厚為1 m，橫向采用兩級放坡。橋梁立面及系梁橫向布置如圖1、圖2所示。

圖1 公鐵兩用橋方案立面圖(單位:m)

圖2 公鐵兩用橋方案橫斷面圖(單位:m)

鐵路鋼桁拱架橋除橋面系采用的是單層鋼桁結(jié)構(gòu)外，其余桿件布置均與公鐵兩用橋相同。桿件截面尺寸基本相同，部分桿件所采用的板厚稍有不同。

2 主要設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

鐵路橋梁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn):國家Ⅰ級鐵路、單線，旅客列車設(shè)計(jì)行車速度160 km/h;設(shè)計(jì)活載為中—活載。

公路橋梁技術(shù)標(biāo)準(zhǔn):道路等級為二級公路、雙向2車道、每側(cè)設(shè)2 m人行道;設(shè)計(jì)速度為60 km/h;公路—Ⅰ級;橋面寬度11.5 m;通航等級為內(nèi)河Ⅵ級。

3 結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)分析模型分別考慮，(108+384+168)m跨的公鐵兩用拱橋及鐵路拱橋兩個(gè)模型。與公鐵兩用橋相比，鐵路橋少了一層公路橋面，活荷載相應(yīng)減小，所以構(gòu)件尺寸及板厚稍有調(diào)整。

3.1 模型的建立

結(jié)構(gòu)分析采用MIDAS6.7.1進(jìn)行，全橋模型按結(jié)構(gòu)實(shí)際斷面對上下弦桿、腹桿、拱肋、平聯(lián)、縱橫梁、橋門架等桿件進(jìn)行離散，采用空間梁單元模擬。成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)各部位采用的邊界條件如表1所示。

表1 成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)各部位邊界條件

表1中，△x、△y、△z分別表示沿縱橋向、橫橋向、豎橋向的線位移，θx、θy、θz分別表示繞縱橋向、橫橋向、豎橋向的轉(zhuǎn)角位移。“1”表示約束，“0”表示放松。計(jì)算圖式見圖3、圖4。

3.2 靜力計(jì)算結(jié)果

公鐵兩用橋及鐵路橋的結(jié)構(gòu)豎向變位如表2所示。公鐵兩用橋及鐵路橋在恒載+活載作用下桿件的最大應(yīng)力如表3所示。

圖3 公鐵兩用橋有限元模型

圖4 鐵路橋有限元模型

表2 活載作用下的鋼桁梁豎向變位

表3 恒載+活載作用下主桁桿件最大應(yīng)力 MPa

由表2和表3可知，公鐵兩用橋方案及鐵路橋方案，活載作用下的豎向剛度及恒載+活載作用下主桁桿件的最大應(yīng)力均滿足相關(guān)規(guī)范要求。公鐵兩用橋方案由于增加了一層公路橋面，使得系梁的豎向剛度得到加強(qiáng)，所以公鐵兩用鋼桁架拱橋整體豎向剛度要優(yōu)于鐵路鋼桁架拱橋。

3.3 自振特性結(jié)果

計(jì)算得到公鐵兩用橋方案與鐵路拱橋方案的自振特性對比見表4。圖5～圖10分別列出兩種橋型方案的前三階振型圖。

表4 公鐵兩用橋與鐵路橋自振特性對比表

由以上自振計(jì)算結(jié)果可以得到，公鐵兩用橋自振頻率比鐵路橋要高，所以整體剛度要高于鐵路橋。兩個(gè)方案前6階振型均相同，只是第二階和第三階振型的順序不同。

圖5 一階振型圖(公鐵兩用橋)

圖6 二階振型圖(公鐵兩用橋)

圖7 三階振型圖 (公鐵兩用橋)

圖8 一階振型圖(鐵路橋)

圖9 二階振型圖 (鐵路橋)

圖10 三階振型圖(鐵路橋)

3.4 整體彈性屈曲分析

結(jié)構(gòu)的靜力穩(wěn)定性分析計(jì)算模型同動力特性分析計(jì)算模型，分別在橋面布置列車活載及公路活載，計(jì)算所得的穩(wěn)定安全系數(shù)是全橋恒載和活載的倍數(shù)。得到穩(wěn)定安全系數(shù)為K1=5.28;本橋前50階失穩(wěn)模態(tài)均為局部桿件失穩(wěn)，需對局部桿件進(jìn)行加強(qiáng)。由于橋面采用鋼桁梁公鐵雙層橋面，大大加強(qiáng)了梁部的剛度及與拱肋的聯(lián)合剛度，所以前幾階未出現(xiàn)拱肋的面內(nèi)及面外失穩(wěn)。單層鐵路橋面拱橋一階失穩(wěn)模態(tài)為拱肋面外失穩(wěn)，穩(wěn)定系數(shù)為 K1=8.28。相比鐵路橋方案，公鐵兩用橋方案整體剛度提高非常明顯。由此可見，采用公鐵兩用的方案整體的穩(wěn)定及剛度優(yōu)勢較為明顯，安全性滿足相關(guān)要求。圖11和圖12分別為兩個(gè)方案的一階失穩(wěn)模態(tài):

圖11 一階失穩(wěn)模態(tài)(公鐵兩用橋)

圖12 一階失穩(wěn)模態(tài)(鐵路橋)

4 結(jié)論

公鐵兩用連續(xù)鋼桁拱結(jié)構(gòu)方案，靜力、自振特性及靜力穩(wěn)定性均滿足相關(guān)規(guī)范要求。相對于鐵路橋，公鐵兩用橋方案采用了雙層鋼桁加勁梁，梁體縱橫向剛度均有較大的提高，結(jié)構(gòu)自振周期要小。且結(jié)構(gòu)靜力穩(wěn)定性表現(xiàn)為局部桿件失穩(wěn)，拱肋一階面外失穩(wěn)的穩(wěn)定系數(shù)高于鐵路橋方案。

［1］徐偉.鋼桁架剛性拱橋的設(shè)計(jì)［J］.橋梁建設(shè)，2006(增刊):1-3.

［2］秦順全.宜萬鐵路萬州長江大橋設(shè)計(jì)與施工［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2006(4):21-23.