大跨度鐵路鋼桁拱橋結構靜力行為分析

董營營， 趙愛國

(山東高速四川產業發展有限公司，四川樂山 614000)

大跨度鐵路鋼桁拱橋結構靜力行為分析

董營營， 趙愛國

(山東高速四川產業發展有限公司，四川樂山 614000)

文章以某高鐵特大跨度上承式鋼桁拱橋為工程背景，利用有限元分析軟件MIDAS建立了拱橋的模型，并進行了拱肋的內力和應力分析。通過詳細比較各分項荷載引起的拱肋軸力和應力，對大跨度鐵路鋼桁拱橋的拱肋受力特征有了進一步認識，所得結論可為該類型橋梁的詳細設計提供有益參考。

大跨度； 鋼桁拱橋； 有限元； 荷載； 內力； 應力

1 概述

在我國西南山區，大跨度鋼桁拱橋能夠充分利用峽谷地形，具有承載能力高、剛度大、抗震性能好的優點[1-3]。其結構行為具有三個特點：(1)鋼桁剛健屬于軸向受力桿件，能充分利用材料的力學性能，每個桿件均可通過受力狀態調整其截面和材料，具有良好的經濟性。(2)能承受施工中的各種荷載作用。(3)構件或節段相對較輕，對吊裝重量和設備要求低。

本文以西南某大跨鐵路鋼拱橋(圖1)為背景，著重探討拱肋桿件在各設計荷載下的內力大小，以期未來在同類橋梁設計參考及優化。

圖1 橋梁立面布置

背景工程主橋為352 m上承式鋼桁拱，矢高64.5 m，矢跨比1/5.46。引橋及拱上梁跨布置為24 m簡支梁和2×48 mT構。拱頂主桁中心距8.0 m，拱腳處主桁中心距27.0 m，拱肋內傾角8.3786°。

線路等級為單線Ⅱ級，旅客列車設計行車速度120 km/h，有砟軌道，活載采用中-活載。

為研究鐵路曲線剛構橋的力學行為，本文對依托工程進行了靜力和動力分析，并得出相關結論。

2 計算方法

2.1 有限元詳細模型

本文應用MIDAS/CIVIL建立全橋空間結構計算分析模型，共計2 060個節點，1 932個梁單元，分別利用彈性連接、主從連接、一般支承、節點彈性支承等邊界單元模擬了梁部與上部簡支梁間、承臺與樁基礎的連接、樁底固結、樁-土共同作用等邊界條件。全橋有限元模型如圖2所示。

圖2 全橋有限元模型

本橋弦桿采用Q370qE鋼，腹桿、橫向連接系、拱上墩等位置采用了Q345qE鋼，結合梁混凝土部分、T構墩部均采用了C40混凝土，T構梁部采用了C55混凝土。

另外，本橋弦桿有四種截面(分別為弦桿a、弦桿b、弦桿c、弦桿d)，為帶肋箱型截面；腹桿有三種(腹桿3、腹桿4、腹桿5)，為工字形截面。

2.2 荷載作用及組合

一期恒載：根據構件實際截面和容重計算。

二期恒載：線路設備、道砟、人行道步板等附屬設施等二期恒載按74.8 kN/m計算。

列車：中—活載

橫向搖擺力：取100 kN，作為集中荷載形式作用于跨中位置，其作用點在垂直于線路中心線的軌頂。

溫度荷載：分別按體系升降溫25 ℃考慮。

制動力：取列車豎向靜活載的10 %計算，考慮豎向動力作用時，則取7 %。

風荷載：無車，W=k1k2k3；有車，W=0.8·k1k2k3≤1 250 Pa。基本風壓取700 MPa。

恒載組合考慮：

(1)主力組合：一恒+二恒；

(2)主力組合：恒載組合+活載+搖擺力。

主+附組合：

(1)主力組合+風荷載+溫度荷載；

(2)主力組合+制動力+溫度荷載。

3 靜力計算結果

3.1 拱肋內力分項計算結果

拱肋軸壓力毫無疑問由恒載控制，其它荷載產生的內力都遠遠小于恒載；而在拱肋中由恒載產生的軸拉力主要為上弦桿，明顯比其他荷載產生的內力要小的多，此時無明顯控制作用，升溫產生的拉力最大，而列車和制動力和搖擺力產生的內力和其也很接近。而正負彎矩各個荷載的貢獻程度都很相似，都是恒載產生的彎矩最大，其次是活載等原因。

如果將圖3、圖4對比來看可以發現對拱肋整體來說依舊是軸壓力起到絕對的控制作用，但是本橋的彎矩也不可忽視。除了在拱肋軸拉力因恒載產生的軸拉力比例比其他減少較大而有所不同以外，其他內力情況各荷載貢獻情況基本一致。值得注意的是，風荷載雖然是水平力，但仍然在y方向產生了不小的彎矩。

圖3 拱肋最大軸力分項計算結果

圖4 拱肋最小軸力分項計算結果

3.2 各單項荷載下最不利應力對比

如圖5所示，拱肋中大部分的壓應力由恒載產生，達到了135 MPa，另外降溫時產生的80 MPa應力也不容忽視，列車活載及相關荷載的貢獻非常大。

如圖6所示，除恒載產生的最大拉壓應力較高以外，其他荷載產生的應力值都基本一致，這也從一個側面反映出恒載對壓應力的控制作用。

圖5 全橋構件在各單項荷載下最不利壓應力

圖6 全橋構件在各單項荷載下最不利拉應力

4 結論

通過計算，主要有如下結論和建議：

(1)拱肋整體來說依舊是軸壓力起到絕對的控制作用，其他內力情況各荷載貢獻情況基本一致。值得注意的是，風荷載雖然是水平力，但仍然在y方向產生了不小的彎矩。

(2)拱肋應力除了恒載產生的最大拉壓應力之間有較大幅度變化外，其他荷載產生的應力值都基本一致，這也反映出恒載對拱肋壓應力的控制作用。

[1] 劉偉,陳克堅. 虎跳峽金沙江大橋方案研究[J]. 鐵道工程學報，2013，6(1)：47-51.

[2] 劉宏偉.新光大橋結構體系研究[D]. 大連理工大學，2004.

[3] TB 10002.1-2005 鐵路橋涵設計基本規范[S]. 北京：中國鐵道出版社，2005.

[4] TB 10002.3-2005 鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范[S]. 北京：中國鐵道出版社，2005.

[5] 陳寶春，高蜻. 鋼拱橋發展概況[J]. 北京交通大學學報，2006(11).

TU311.1

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[定稿日期]2017-08-08