姜海君

(中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京　102600)

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(92+3×152+92) m連續(xù)梁-拱橋結(jié)構(gòu)計算分析

姜海君

(中鐵第五勘察設(shè)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(xù)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(jié)果的對比分析，得出兩計算模型分析結(jié)果的差別；通過不同橫撐形式對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響分析，為類似的連續(xù)梁-拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

92+3×152+92) m連續(xù)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(shè)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(jù)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(xù)梁-拱橋方案跨越靈江。

2　結(jié)構(gòu)尺寸的擬定

(92+3×152+92)m連續(xù)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(shè)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(nèi)填充C50微膨脹混凝土。兩拱肋間共設(shè)置7道橫撐，橫撐均采用“X”形撐，各橫撐鋼管內(nèi)不填充混凝土。吊桿順橋向間距8 m，每個拱圈設(shè)置15組單吊桿(每組2根)，吊桿采用PES(FD)7-73型低應(yīng)力防腐拉索(平行鋼絲束)，外套復(fù)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(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁結(jié)構(gòu)。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(cè)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(jié)構(gòu)計算

3.1計算模型建立原則

本橋位于臺風(fēng)多發(fā)區(qū)，風(fēng)荷載較大，如果單純依靠一般橋梁結(jié)構(gòu)的平面桿系結(jié)構(gòu)分析程序，難以準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)的實際受力狀況，故設(shè)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(jié)構(gòu)形狀和尺寸的變化(如腹板厚度的變化、構(gòu)件的長度、截面上的倒角等)；(2)準(zhǔn)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(xù)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(xù)梁-拱橋三維空間模型

3.3縱向計算結(jié)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(yīng)力結(jié)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(nèi)力、收縮徐變后吊桿內(nèi)力結(jié)果進行對比(如表2和表3所示)。

表1　應(yīng)力對比　MPa

由表1～表3結(jié)果可以得出以下幾個結(jié)論[3-5]：

(1)兩計算模型在施加二期恒載后各吊桿內(nèi)力分配和內(nèi)力之和相差均不大；兩計算模型在收縮徐變后各吊桿內(nèi)力分配和內(nèi)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(nèi)力之和與施加二期恒載后吊桿內(nèi)力總和比較接近，更為合理。

表2　中拱吊桿內(nèi)力對比　kN

表3　邊拱吊桿內(nèi)力對比　kN

(2)施加二期恒載后兩模型中拱吊桿內(nèi)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(nèi)力之和為邊拱的1.3倍，但空間三維模型吊桿內(nèi)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(yīng)力最大差值0.2 MPa，計算結(jié)果比較吻合；在次中跨跨中和中跨跨中位置應(yīng)力最大差值為1.0 MPa，結(jié)果相差較大，但總的趨勢相同，跨中位置應(yīng)力相差較大的原因可能由于吊桿內(nèi)力不同所造成。

3.4穩(wěn)定性計算

本橋為單線橋，橫向?qū)挾容^小，拱肋穩(wěn)定性橫向較差，計算分析發(fā)現(xiàn)橫撐對拱肋的穩(wěn)定性影響較大，在恒載及活載作用下各種橫撐失穩(wěn)模態(tài)及穩(wěn)定系數(shù)如表4所示。

由表4和圖7～圖10結(jié)果可以看出[6-9]：

拱肋橫撐的形式對拱肋穩(wěn)定性影響較大，各種橫撐形式下拱肋一階失穩(wěn)模態(tài)均為橫橋向面外正對稱側(cè)向失穩(wěn)且均為中拱肋失穩(wěn)；其中“X”形橫撐穩(wěn)定系數(shù)最大，為“K”形橫撐的1.5倍；當(dāng)采用“一”形撐后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性急劇下降到1.7，與完全拆除橫撐后結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性0.7相差不多。

表4　失穩(wěn)模態(tài)及穩(wěn)定系數(shù)

圖7　模型1一階失穩(wěn)模態(tài)

圖8　模型2一階失穩(wěn)模態(tài)

圖9　模型3一階失穩(wěn)模態(tài)

圖10　模型4一階失穩(wěn)模態(tài)

4　結(jié)論

通過分析，得出以下幾個結(jié)論供以后連續(xù)梁-拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計參考[10-11]：

(1)中拱吊桿受力遠(yuǎn)大于邊拱，中拱拱肋及吊桿結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)比邊拱大。

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

(3)拱肋結(jié)構(gòu)受溫度荷載和風(fēng)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(fēng)力進行模擬；另外從計算結(jié)果中可以看出，空間三維模型計算結(jié)果比平面桿系模型計算結(jié)果更為合理，建議以后的設(shè)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(fù)核。

(4)橫撐形式對拱肋穩(wěn)定性影響較大，且均為中拱肋橫橋向面外正對稱側(cè)向失穩(wěn)，設(shè)計時應(yīng)選擇合理的橫撐形式來提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

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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(yè)于西南交通大學(xué)橋梁與隧道工程專業(yè)，碩士，工程師。

1672-7479(2016)02-0097-03

U442.5

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