(92+3×152+92) m連續梁-拱橋結構計算分析

姜海君

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京　102600)

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(92+3×152+92) m連續梁-拱橋結構計算分析

姜海君

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京102600)

以金華至臺州鐵路(92+3×152+92)m連續梁-拱橋為背景，分別采用MIDAS和BSAS軟件建立空間三維模型和平面桿系模型，通過對兩模型計算結果的對比分析，得出兩計算模型分析結果的差別；通過不同橫撐形式對結構穩定性的影響分析，為類似的連續梁-拱橋結構設計提供參考。

92+3×152+92) m連續梁-拱橋平面桿系模型空間三維模型

1　工程背景

金華至臺州鐵路起自金溫擴能改造項目永康南站，至甬臺溫鐵路臺州站，線路長175.38 km，為單線Ⅰ級鐵路，設計時速160 km。線路于TDK006+800里程處跨越靈江，橋位處靈江寬度660 m，線路與臺金高速公路并行。臺金高速公路跨越靈江采用(92+3×152+92) m矮塔斜拉橋，根據防洪評估報告和通航論證報告要求，橋梁跨度必須與金臺高速公路跨靈江特大橋跨度保持一致，同時考慮景觀要求，采用(92+3×152+92) m連續梁-拱橋方案跨越靈江。

2　結構尺寸的擬定

(92+3×152+92)m連續梁-拱橋(如圖1所示)全長641.6 m，邊支座中心線至梁端0.8 m。本橋三個拱圈采用相同的矢跨比，拱肋計算跨度L=152 m，設計失高f=27.636 m，矢跨比為1/5.5，拱軸線采用二次拋物線方程。拱肋采用等高度啞鈴形截面(如圖2所示)，截面高度3.1 m，拱肋及腹腔內填充C50微膨脹混凝土。兩拱肋間共設置7道橫撐，橫撐均采用“X”形撐，各橫撐鋼管內不填充混凝土。吊桿順橋向間距8 m，每個拱圈設置15組單吊桿(每組2根)，吊桿采用PES(FD)7-73型低應力防腐拉索(平行鋼絲束)，外套復合不銹鋼管，配套使用冷鑄鐓頭錨。

主梁采用單箱單室、直腹板、變高度預應力混凝土連續梁結構。中跨跨中(如圖3所示)和邊支點(如圖4所示)處梁高為4.6 m，中支點(如圖5所示)處梁高為9.0 m，梁底下緣按圓曲線變化；箱梁頂寬10.4 m，底寬7.6 m。為滿足支座安裝要求，中支點梁底每側加寬1.4 m。頂板厚45～65 cm，按折線變化；底板厚度40～120 cm，按圓曲線變化至中支點梁根部，頂板及底板均在隔墻位置加厚；腹板厚度為45 cm至80 cm至110 cm，按折線變化。

圖1　全橋立面布置(單位：cm)

圖2　拱肋截面(單位：cm)

圖3　跨中橫斷面(單位：cm)

圖4　邊支點橫斷面(單位：cm)

圖5　中支點橫斷面(單位：cm)

3　結構計算

3.1計算模型建立原則

本橋位于臺風多發區，風荷載較大，如果單純依靠一般橋梁結構的平面桿系結構分析程序，難以準確分析結構的實際受力狀況，故設計中分別采用平面桿系模型和空間三維模型進行分析。

建模原則如下：(1)盡量如實模擬結構形狀和尺寸的變化(如腹板厚度的變化、構件的長度、截面上的倒角等)；(2)準確模擬邊界條件(如支座位置、類型、支座剛度等)；(3)在保證求解精度和速度的前提下，盡量簡化模型，使模型更簡單[1]。

3.2計算模型

本橋以(92+3×152+92) m連續梁-拱橋為背景，分別采用MIDAS和BSAS軟件建立三維空間模型和平面桿系模型，三維空間模型如圖6所示。

圖6　(92+3×152+92) m連續梁-拱橋三維空間模型

3.3縱向計算結果

分別提取平面桿系模型和空間三維模型在主力(恒載+活載)作用下次中墩支點、次中跨跨中、中墩支點和中跨跨中截面縱向正應力結果進行對比[2](如表1所示)；分別提取平面桿系模型和空間三維模型施加二期恒載后吊桿內力、收縮徐變后吊桿內力結果進行對比(如表2和表3所示)。

表1　應力對比　MPa

由表1～表3結果可以得出以下幾個結論[3-5]：

(1)兩計算模型在施加二期恒載后各吊桿內力分配和內力之和相差均不大；兩計算模型在收縮徐變后各吊桿內力分配和內力之和相差都比較大，說明兩計算軟件在收縮徐變的計算上存在較大的差異，但三維空間模型吊桿內力之和與施加二期恒載后吊桿內力總和比較接近，更為合理。

表2　中拱吊桿內力對比　kN

表3　邊拱吊桿內力對比　kN

(2)施加二期恒載后兩模型中拱吊桿內力之和均為邊拱的1.7倍；收縮徐變后平面桿系模型吊桿內力之和為邊拱的1.3倍，但空間三維模型吊桿內力之和為邊拱的1.5倍，與施加二期恒載后比值比較接近，更為合理。

(3)由表1可知，兩計算模型在次中墩支點和中墩支點位置應力最大差值0.2 MPa，計算結果比較吻合；在次中跨跨中和中跨跨中位置應力最大差值為1.0 MPa，結果相差較大，但總的趨勢相同，跨中位置應力相差較大的原因可能由于吊桿內力不同所造成。

3.4穩定性計算

本橋為單線橋，橫向寬度較小，拱肋穩定性橫向較差，計算分析發現橫撐對拱肋的穩定性影響較大，在恒載及活載作用下各種橫撐失穩模態及穩定系數如表4所示。

由表4和圖7～圖10結果可以看出[6-9]：

拱肋橫撐的形式對拱肋穩定性影響較大，各種橫撐形式下拱肋一階失穩模態均為橫橋向面外正對稱側向失穩且均為中拱肋失穩；其中“X”形橫撐穩定系數最大，為“K”形橫撐的1.5倍；當采用“一”形撐后結構穩定性急劇下降到1.7，與完全拆除橫撐后結構穩定性0.7相差不多。

表4　失穩模態及穩定系數

圖7　模型1一階失穩模態

圖8　模型2一階失穩模態

圖9　模型3一階失穩模態

圖10　模型4一階失穩模態

4　結論

通過分析，得出以下幾個結論供以后連續梁-拱橋結構設計參考[10-11]：

(1)中拱吊桿受力遠大于邊拱，中拱拱肋及吊桿結構尺寸應比邊拱大。

(2)兩種計算模型的收縮徐變計算差異較大，應進一步從理論上進行研究，選擇合理的計算方法。

(3)拱肋結構受溫度荷載和風荷載影響較大，平面桿系模型不能對兩拱肋溫差進行模擬，也不能對橫向風力進行模擬；另外從計算結果中可以看出，空間三維模型計算結果比平面桿系模型計算結果更為合理，建議以后的設計中盡量采用三維空間模型進行計算，采用平面桿系模型進行復核。

(4)橫撐形式對拱肋穩定性影響較大，且均為中拱肋橫橋向面外正對稱側向失穩，設計時應選擇合理的橫撐形式來提高結構的穩定性。

[1]黃僑，陳卓異，楊明.槽型梁橋力學性能的研究與展望[J].交通學報，2013(6):47-52

[2]TB10002.3—2005鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范[S]

[3]陳寶春.鋼管混凝土拱橋計算理論研究進展[J].土木工程學報，2003，36(12):140-143

[4]辛兵，徐升橋.大跨度鋼管混凝土拱橋的徐變分析[J].鐵道標準設計，2013(4):30-32

[5]薛照鈞，張石波.鋼管混凝土拱橋拱肋計算模型探討[J].橋梁建設，2002(6):43-45

[6]史玉.客運專線尼爾森體系提籃拱橋施工技術[J].鐵道勘察，2008，34(5):74-76

[7]羅業鳳，殷朗，韓玉.鋼管混凝土系桿拱橋穩定性分析[J].公路交通工具技術，2013(5):67-70

[8]李國豪.橋梁結構穩定與振動[M].北京：中國鐵道出版社，2002：287-291

[9]鄭宇強，賈布裕，陳舟.連續梁拱橋穩定性分析[J].中外公路，2013，33(5):140-143

[10]李桂玲.鋼管混凝土拱橋拱肋混凝土澆筑過程中的穩定分析[J].鐵道勘察，2012(2):72-73

[11]陳鎖.簡支系桿拱橋施工過程分析[J].鐵道勘察，2015(3):130-134

Structure Calculation and Analysis of (92+3×152+92) m Continuous Beam-Arch

JIANG Haijun

2016-01-20

姜海君(1982—)，男，2009年畢業于西南交通大學橋梁與隧道工程專業，碩士，工程師。

1672-7479(2016)02-0097-03

U442.5

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