董營(yíng)營(yíng)， 趙愛國

(山東高速四川產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，四川樂山 614000)

大跨度鐵路鋼桁拱橋結(jié)構(gòu)靜力行為分析

董營(yíng)營(yíng)， 趙愛國

(山東高速四川產(chǎn)業(yè)發(fā)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?yàn)楣こ瘫尘?，利用有限元分析軟件MIDAS建立了拱橋的模型，并進(jìn)行了拱肋的內(nèi)力和應(yīng)力分析。通過詳細(xì)比較各分項(xiàng)荷載引起的拱肋軸力和應(yīng)力，對(duì)大跨度鐵路鋼桁拱橋的拱肋受力特征有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，所得結(jié)論可為該類型橋梁的詳細(xì)設(shè)計(jì)提供有益參考。

大跨度； 鋼桁拱橋； 有限元； 荷載； 內(nèi)力； 應(yīng)力

1 概述

在我國西南山區(qū)，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(yōu)點(diǎn)[1-3]。其結(jié)構(gòu)行為具有三個(gè)特點(diǎn)：(1)鋼桁剛健屬于軸向受力桿件，能充分利用材料的力學(xué)性能，每個(gè)桿件均可通過受力狀態(tài)調(diào)整其截面和材料，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。(2)能承受施工中的各種荷載作用。(3)構(gòu)件或節(jié)段相對(duì)較輕，對(duì)吊裝重量和設(shè)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(shè)計(jì)荷載下的內(nèi)力大小，以期未來在同類橋梁設(shè)計(jì)參考及優(yōu)化。

圖1 橋梁立面布置

背景工程主橋?yàn)?52 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(jiǎn)支梁和2×48 mT構(gòu)。拱頂主桁中心距8.0 m，拱腳處主桁中心距27.0 m，拱肋內(nèi)傾角8.3786°。

線路等級(jí)為單線Ⅱ級(jí)，旅客列車設(shè)計(jì)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(gòu)橋的力學(xué)行為，本文對(duì)依托工程進(jìn)行了靜力和動(dòng)力分析，并得出相關(guān)結(jié)論。

2 計(jì)算方法

2.1 有限元詳細(xì)模型

本文應(yīng)用MIDAS/CIVIL建立全橋空間結(jié)構(gòu)計(jì)算分析模型，共計(jì)2 060個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 932個(gè)梁?jiǎn)卧?，分別利用彈性連接、主從連接、一般支承、節(jié)點(diǎn)彈性支承等邊界單元模擬了梁部與上部簡(jiǎn)支梁間、承臺(tái)與樁基礎(chǔ)的連接、樁底固結(jié)、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(jié)合梁混凝土部分、T構(gòu)墩部均采用了C40混凝土，T構(gòu)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(jù)構(gòu)件實(shí)際截面和容重計(jì)算。

二期恒載：線路設(shè)備、道砟、人行道步板等附屬設(shè)施等二期恒載按74.8 kN/m計(jì)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(diǎn)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(dòng)力：取列車豎向靜活載的10 %計(jì)算，考慮豎向動(dòng)力作用時(shí)，則取7 %。

風(fēng)荷載：無車，W=k1k2k3；有車，W=0.8·k1k2k3≤1 250 Pa。基本風(fēng)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(fēng)荷載+溫度荷載；

(2)主力組合+制動(dòng)力+溫度荷載。

3 靜力計(jì)算結(jié)果

3.1 拱肋內(nèi)力分項(xiàng)計(jì)算結(jié)果

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

如果將圖3、圖4對(duì)比來看可以發(fā)現(xiàn)對(duì)拱肋整體來說依舊是軸壓力起到絕對(duì)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(chǎn)生的軸拉力比例比其他減少較大而有所不同以外，其他內(nèi)力情況各荷載貢獻(xiàn)情況基本一致。值得注意的是，風(fēng)荷載雖然是水平力，但仍然在y方向產(chǎn)生了不小的彎矩。

圖3 拱肋最大軸力分項(xiàng)計(jì)算結(jié)果

圖4 拱肋最小軸力分項(xiàng)計(jì)算結(jié)果

3.2 各單項(xiàng)荷載下最不利應(yīng)力對(duì)比

如圖5所示，拱肋中大部分的壓應(yīng)力由恒載產(chǎn)生，達(dá)到了135 MPa，另外降溫時(shí)產(chǎn)生的80 MPa應(yīng)力也不容忽視，列車活載及相關(guān)荷載的貢獻(xiàn)非常大。

如圖6所示，除恒載產(chǎn)生的最大拉壓應(yīng)力較高以外，其他荷載產(chǎn)生的應(yīng)力值都基本一致，這也從一個(gè)側(cè)面反映出恒載對(duì)壓應(yīng)力的控制作用。

圖5 全橋構(gòu)件在各單項(xiàng)荷載下最不利壓應(yīng)力

圖6 全橋構(gòu)件在各單項(xiàng)荷載下最不利拉應(yīng)力

4 結(jié)論

通過計(jì)算，主要有如下結(jié)論和建議：

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

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

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

[2] 劉宏偉.新光大橋結(jié)構(gòu)體系研究[D]. 大連理工大學(xué)，2004.

[3] TB 10002.1-2005 鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)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(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京：中國鐵道出版社，2005.

[5] 陳寶春，高蜻. 鋼拱橋發(fā)展概況[J]. 北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006(11).

TU311.1

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[定稿日期]2017-08-08