京滬高速鐵路鋼箱梁拱組合橋設計

顏 志 華

(中國鐵路設計集團有限公司,天津　300142)

1　工程概況

京滬高速鐵路跨越京福高速公路、濟兗公路時，采用了2孔96 m跨度下承式簡支鋼箱系桿拱組合橋。本橋為四線橋，中間為雙線高速鐵路，兩側為聯絡線。

2　有限元整體計算分析

2.1　板單元模型

建立全橋板單元有限元分析模型，主梁、主拱、橫撐等均采用板單元模擬，吊索采用桁架單元模擬。整個模型共有節點92 502個，板單元102 496個，桁架單元30個，見圖1。

2.2　荷載分布及偏載性影響分析

本橋橋寬為25.7 m，當在荷載偏載、不均勻溫差等使用條件下會使鋼箱梁橫斷面上應力產生程度不同的不均勻分布。為了明確荷載分布及偏載對結構性能的影響，對結構在一線偏載、二線偏載和四線滿載條件下的主梁結構應力分布情況進行了分析。

1)Ⅰ線偏載。

Ⅰ線偏載情況下主梁在頂板范圍內，應力分布不均勻主要集中在靠近偏載線路的中間部分，其中跨中部分截面應力分布最不均勻，計算結果顯示，頂板跨中截面在 Ⅰ 線偏載作用下最大壓應力為3.9 MPa，位于偏載線路位置處，而最大拉應力為0.6 MPa，位于遠離偏載線路的一側。在底板范圍內，應力分布不均勻一部分主要集中在靠近偏載線路的中間部分，而另一部分集中在主梁結構的兩端，集中主梁的左端應力分布不均勻程度要大于主梁的右端。

2)Ⅰ,Ⅱ線偏載。

在Ⅰ,Ⅱ線偏載頂板范圍內，應力分布不均勻主要集中在靠近偏載線路的中間部分，其中跨中部分截面應力分布最不均勻，計算結果顯示，頂板跨中截面在Ⅰ,Ⅱ線偏載作用下最大壓應力為5.0 MPa，位于偏載線路位置處，而最大拉應力為0.8 MPa，位于遠離偏載線路的一側。在底板范圍內，Ⅰ,Ⅱ線偏載的應力分布特征與Ⅰ線偏載情況下的應力分布特征類似。

3)四線滿載。

四線滿載情況下頂板范圍內，應力分布不均勻主要集中在頂板與拱肋連接部位，其他部分截面的應力基本趨于均勻。計算結果顯示，頂板跨中截面在四線滿載作用下最大壓應力為5.7 MPa，位于截面中心位置，而最小壓應力也達到3.1 MPa，位于截面兩側。在與拱腳連接范圍內，最不均勻的截面應力分布為：與拱腳連接處最大拉應力為26 MPa,最小拉應力為3.1 MPa,位于截面外側。在底板范圍內，四線滿載情況下的應力分布特征與頂板在同樣荷載條件下的應力分布特征基本相同，應力分布不均勻主要集中在底板與拱肋連接部位，其他部分截面的應力基本趨于均勻。

3　拱腳局部應力分析

鋼箱梁拱組合結構拱腳巨大的水平推力通過鋼箱系梁平衡，拱肋與鋼箱梁連接處受力和構造非常復雜，建立MIDAS模型準確分析了拱腳處受力狀態，在設計和構造上采取了有效措施。

3.1　計算模型

為準確模擬荷載條件，在上述全橋板單元模型進行加載計算，拱腳局部將單元進行細化處理，整個模型節點增加到100 644個，板單元增加到111 524個，見圖2。

3.2　計算結果

1)頂板應力。

頂板在梁端局部出現壓應力區域，隨著向主梁節段推移，應力逐漸轉變為拉應力，這是拱上的軸力逐漸傳遞到主梁上的結果；在通過拱梁交接位置后，頂板與橫隔板交叉局部位置出現應力集中。頂板最大拉應力為113.0 MPa，最大壓應力為59.2 MPa，最大剪應力為50.0 MPa。

2)底板應力。

底板應力相對比較均勻，僅在支座位置附近出現應力集中。底板最大拉應力為135.8 MPa，壓應力為164.8 MPa，剪應力為12.1 MPa。

3)腹板應力。

腹板應力為由拱上受壓逐漸過渡到梁上受拉，正應力在支座附近、支座加勁肋的頂端位置附近以及拱梁斜交尖角的填角加勁肋處出現應力集中，剪應力在外隔板位置出現應力集中。最大拉應力為174.6 MPa，壓應力為333.1 MPa，剪應力為31.3 MPa。

4)橫隔板應力。

主梁橫隔板在拱梁交接隔板附近位置豎向應力有顯著提升，并伴隨有應力集中現象；橫向應力分布較均勻，只在入洞口附近出現輕微的應力集中。最大拉應力為111.9 MPa，壓應力為101.1 MPa，剪應力為40 MPa。

拱肋橫隔板在拱梁交接隔板位置拱上橫隔板的局部出現應力集中現象，隨著遠離此位置，應力集中逐漸消散。最大拉應力為97.1 MPa，最大壓應力為86.2 MPa，剪應力為20.1 MPa。

5)橫肋應力。

橫肋豎向主要為受壓為主，橫向則為受拉，靠近梁端支座位置附近橫肋應力較大，并且有小幅的應力集中現象。最大拉應力為38.9 MPa，壓應力為58.8 MPa，剪應力為19.1 MPa。

6)加勁肋應力。

支座處加勁肋局部應力較大，應力由底端集中向上擴散，局部最大拉應力129.2 MPa，壓應力331.4 MPa，剪應力29.7 MPa。

箱頂加勁肋在與其他板交叉處應力較大，最大拉應力30.0 MPa，壓應力50.9 MPa，剪應力28.1 MPa。

由以上計算結果可以看出，應力集中點主要在支座附近位置以及拱、梁頂、底板交接位置和外隔板附近。在拱、梁頂、底板交接位置和外隔板位置附近最大應力均能滿足規范要求。

4　結語

本文所介紹的跨度96 m四線鋼箱梁拱組合結構在國內首次采用。本橋的特點是橋面寬、雙拱肋且無成熟設計制造經驗可以借鑒。建立MIDAS模型對橋梁進行了計算，著重對偏載影響、拱腳局部應力進行了分析研究。計算結果表明，設計成果滿足規范要求。