某鐵路槽型梁拱橋拱腳局部應力分析

史灼

（中國鐵路設計集團有限公司，天津300308）

1 引言

1.1 概述

槽型梁拱組合橋梁因凈空優化、受力明確、造型美觀等特點越來越多地應用于我國橋梁建設中[1]。拱梁結合處是受力關鍵且較為復雜的部位，剛度變化較為明顯，主要承受拱的推力、支座反力、預應力等荷載作用。為保證結構的安全耐久性，對拱腳位置的局部應力狀態進行細致的分析研究顯得尤為必要[2，3]。

在上述背景下，為精確模擬拱腳位置結構的受力狀態，本文采用兩部走的方法：第一步，建立全橋實體元模型，以精確模擬結構的受力狀態，提取不同工況下拱肋截面的荷載結果；第二步，建立更為精細化的拱腳局部分析模型，將拱肋截面的荷載視為外力作用，分析拱腳局部應力的分布特征，具有一定的工程應用價值。

1.2 工程概況

某鐵路上跨高速公路節點采用簡支槽型梁拱組合結構，以滿足橋下凈空要求，降低鐵路縱斷面。

結構布置采用剛性系梁柔性拱，雙拱肋體系，支架現澆，先梁后拱施工。橋梁計算跨度56 m，設計矢高8 m，矢跨比1/7，拱軸線采用二次拋物線。拱肋為鋼管混凝土材料，橫截面為圓端形鋼管，內部填充C50自密實補償收縮混凝土。

結構采用圖1所示槽型截面，由橋面板和邊主梁構成。兩側各對稱設置一道邊主梁，中間由橋面板連接。橋面板于梁端局部進行較厚，板底與邊主梁底平齊；板厚過渡段、邊主梁及橋面板橫向連接處均設倒角。邊主梁橫截面為矩形截面，在梁端進行局部加寬加高，局部段落進行過渡處理。

圖1 槽型梁拱結構標準橫斷面圖

2 仿真模擬

2.1 整體模型

建模過程中，采用二力桿單元Link8模擬吊桿的單向受力特性；考慮到鋼管混凝土填芯，采用板單元Shell63模擬鋼管的空間變形及受力狀態；縱橫向預應力鋼束通過三維梁單元Beam189實現；支座用質量單元Mass21模擬；為更準確反映材料特性，減小簡化誤差，其他結構均采用實體單元Solid45模擬。所建立槽型梁拱組合結構模型如圖2所示。

圖2 全橋實體模型

2.2 拱腳模型

基于ANSYS有限元軟件建立拱腳空間局部有限元模型，進行局部應力分析，如圖3所示。選取1/4拱腳結構節段，橫向截取整個結構寬度的1/2，包括拱肋、拱腳、主梁、橋面板、支座以及預應力鋼束等結構。建模過程中所采取的單元及細部參數與全橋整體模型保持一致。

圖3 拱腳局部模型

2.3 邊界條件

1）約束：近似模擬結構的實際約束效果。將梁體對局部實體模型的作用簡化為約束，A面僅考慮橫橋向的支承，B面簡化為固結；支座位置僅考慮豎向支承。

2）荷載：作用的局部結構上的荷載有二期和縱橫向鋼束的預應力荷載；此外，考慮運營期間主力和主力+附加力2種不利工況，于全橋模型中提取不同工況下作用于拱肋截面的荷載，分別匯總于表1。

表1 拱肋截面作用荷載

3 計算結果

采用表1中相應荷載加載于局部模型拱肋截面，分別得到主力和主附工況下計算結果。

3.1 主力工況

主力工況下結構應力云圖如圖4所示。

圖4 主力工況作用下拱腳局部主應力云圖

由圖4可見：

1）混凝土的主壓應力有較大的安全儲備。拱肋截面和拱腳變截面位置的主壓應力不超過4 MPa，拱腳結構其他位置該數值處于2 MPa以內，相對主力工況下20.1 MPa的限值仍有較大的壓應力儲備。

2）混凝土的主拉應力是拱腳位置的受力控制因素。在預應力束張拉部位出現較為明顯的失真情況；拱肋與拱腳的鋼混結合部位出現小區域范圍的集中應力；而拱腳其他部位均滿足運營狀態結構的混凝土應力限值。

3）拱腳處最大主拉應力在5 MPa以內，位于拱肋與主梁相接部位下緣，應力流方向為垂直于拱軸線。

3.2 主附工況

拱腳處出現較大的集中應力，超過了規范規定的混凝土抗拉強度限值。故需要加強拱腳位置的配筋，并進行普通鋼筋的鋼筋應力和裂縫寬度檢算。主附工況下應力云圖如圖5所示。

圖5 主附工況作用下拱腳局部主應力云圖

由圖5可見：

1）混凝土主壓應力與主力工況下相近，有較為明顯的富余量。

2）拱腳處局部應力分析受控位置為拱肋與主梁相接位置下緣位置，最大主拉應力為6 MPa，垂直于拱軸線的剪力及彎矩為主要作用因素。

3.3 配筋檢算

針對鋼混結合處，即拱肋與拱腳接觸位置的上下緣較為明顯的應力集中，設計時，在此處加大受拉鋼筋的配置，并予以檢算。

參考相應鐵路規范[4]，以鋼筋混凝土截面受彎及偏心受壓構件的裂縫寬度和鋼筋應力為研究對象，對拱肋下緣集中應力區域進行截面配筋檢算，見表2。

表2 各工況下拱腳配筋檢算結果

表2中計算結果顯示，拱腳位置鋼筋的拉應力和混凝土裂縫寬度均滿足規范要求。

4 結論

以某鐵路56 m簡支槽型梁拱組合結構為基礎，建立了全橋實體有限元模型和拱腳局部精細化模型，分析了拱腳位置應力分布狀態，采用并驗證了在拱腳區域加大普通鋼筋配置以改善應力集中問題。主要結論如下：

1）拱腳順橋向大范圍以受壓為主，且主壓應力存在較大的安全儲備；拱腳位置鋼混結合處和剛度突變位置容易出現應力集中現象。

2）拱肋與主梁相接位置下緣位置，主拉應力較為集中，應力流方向為垂直于拱軸線；相較于拱肋傳遞的軸向力，垂直于拱軸線的剪力及彎矩為主要作用因素。

3）通過加強拱腳局部的普通鋼筋配置，可以有效改善該位置的應力狀態。