某公铁两用钢桁架拱桥方案静动力分析

谢海清，李亚东

(1.西南交通大学 土木工程学院，成都 610031;2.中铁二院工程集团有限责任公司 土木建筑研究一院，成都 610031)

钢桁架拱桥是一种传统的桥梁结构，20世纪发达国家已建成大量的钢桁架拱桥，最具代表性的是澳大利亚悉尼大桥。随着我国经济实力的增强和建桥技术的发展，钢桁架拱桥开始在铁路工程上陆续采用［1］。我国已建成的宜万铁路万州长江钢桁架拱桥，桥跨布置为(168+360+168)m，该桥为单线铁路桥，桥面采用单层钢桁结构［2］。而正在建设的重庆朝天门长江大桥，桥跨布置为(190+552+190)m，桥面系钢桁梁，分为上下两层，上层6车道公路，下层2车道公路和双线城市轨道交通桥。

1 工程概述

某跨江铁路大桥与公路大桥，均位于风景区且相隔只有几百米，给公路桥与铁路桥合修提供了条件。结合地形及风景区环境，本桥采用主跨为(108+384+168)m的钢桁架拱桥跨越。按照公路、铁路桥合修及分修方案，本桥桥面系设计考虑单层桥面和双层桥面两个方案。与铁路桥相比，公铁两用钢桁架拱桥增加了一层公路桥面。在我国已建成的公铁两用桥中，多采用公路在上层，铁路在下层的布置形式;而本桥为顺应公路及铁路线路要求，采用公路在下层，铁路在上层的桥面布置方案。下面介绍公铁两用桥方案的主桥设计。

1.1 钢桁拱结构

桁架拱拱顶桁高为9 m，拱脚处桁高为53 m;系杆桁梁中心至桁拱拱顶下弦杆中心高96 m，中支点下加劲腿高24 m，拱肋上、下弦杆分别采用不同方程的二次抛物线。

1.2 桥面系

桥面系为钢桁梁，节间长度12 m，桁宽18 m，桁高16 m;主桁杆件断面形式根据杆件的受力类型分别选用箱形或 H形，主桁杆件外宽 800 mm，高 420～1 200 mm。吊杆、系杆与主桁其它杆件一样，都采用焊接断面的钢杆件。钢梁杆件采用Q370D钢材。

1.3 下部结构

桥墩采用空心墩，材料为C40钢筋混凝土。两桥墩墩高分别为106 m及88 m，顺桥向采用11 m，横桥向采用22 m，壁厚为1 m，横向采用两级放坡。桥梁立面及系梁横向布置如图1、图2所示。

图1 公铁两用桥方案立面图(单位:m)

图2 公铁两用桥方案横断面图(单位:m)

铁路钢桁拱架桥除桥面系采用的是单层钢桁结构外，其余杆件布置均与公铁两用桥相同。杆件截面尺寸基本相同，部分杆件所采用的板厚稍有不同。

2 主要设计技术标准

铁路桥梁技术标准:国家Ⅰ级铁路、单线，旅客列车设计行车速度160 km/h;设计活载为中—活载。

公路桥梁技术标准:道路等级为二级公路、双向2车道、每侧设2 m人行道;设计速度为60 km/h;公路—Ⅰ级;桥面宽度11.5 m;通航等级为内河Ⅵ级。

3 结构分析

结构分析模型分别考虑，(108+384+168)m跨的公铁两用拱桥及铁路拱桥两个模型。与公铁两用桥相比，铁路桥少了一层公路桥面，活荷载相应减小，所以构件尺寸及板厚稍有调整。

3.1 模型的建立

结构分析采用MIDAS6.7.1进行，全桥模型按结构实际断面对上下弦杆、腹杆、拱肋、平联、纵横梁、桥门架等杆件进行离散，采用空间梁单元模拟。成桥状态结构各部位采用的边界条件如表1所示。

表1 成桥状态结构各部位边界条件

表1中，△x、△y、△z分别表示沿纵桥向、横桥向、竖桥向的线位移，θx、θy、θz分别表示绕纵桥向、横桥向、竖桥向的转角位移。“1”表示约束，“0”表示放松。计算图式见图3、图4。

3.2 静力计算结果

公铁两用桥及铁路桥的结构竖向变位如表2所示。公铁两用桥及铁路桥在恒载+活载作用下杆件的最大应力如表3所示。

图3 公铁两用桥有限元模型

图4 铁路桥有限元模型

表2 活载作用下的钢桁梁竖向变位

表3 恒载+活载作用下主桁杆件最大应力 MPa

由表2和表3可知，公铁两用桥方案及铁路桥方案，活载作用下的竖向刚度及恒载+活载作用下主桁杆件的最大应力均满足相关规范要求。公铁两用桥方案由于增加了一层公路桥面，使得系梁的竖向刚度得到加强，所以公铁两用钢桁架拱桥整体竖向刚度要优于铁路钢桁架拱桥。

3.3 自振特性结果

计算得到公铁两用桥方案与铁路拱桥方案的自振特性对比见表4。图5～图10分别列出两种桥型方案的前三阶振型图。

表4 公铁两用桥与铁路桥自振特性对比表

由以上自振计算结果可以得到，公铁两用桥自振频率比铁路桥要高，所以整体刚度要高于铁路桥。两个方案前6阶振型均相同，只是第二阶和第三阶振型的顺序不同。

图5 一阶振型图(公铁两用桥)

图6 二阶振型图(公铁两用桥)

图7 三阶振型图 (公铁两用桥)

图8 一阶振型图(铁路桥)

图9 二阶振型图 (铁路桥)

图10 三阶振型图(铁路桥)

3.4 整体弹性屈曲分析

结构的静力稳定性分析计算模型同动力特性分析计算模型，分别在桥面布置列车活载及公路活载，计算所得的稳定安全系数是全桥恒载和活载的倍数。得到稳定安全系数为K1=5.28;本桥前50阶失稳模态均为局部杆件失稳，需对局部杆件进行加强。由于桥面采用钢桁梁公铁双层桥面，大大加强了梁部的刚度及与拱肋的联合刚度，所以前几阶未出现拱肋的面内及面外失稳。单层铁路桥面拱桥一阶失稳模态为拱肋面外失稳，稳定系数为 K1=8.28。相比铁路桥方案，公铁两用桥方案整体刚度提高非常明显。由此可见，采用公铁两用的方案整体的稳定及刚度优势较为明显，安全性满足相关要求。图11和图12分别为两个方案的一阶失稳模态:

图11 一阶失稳模态(公铁两用桥)

图12 一阶失稳模态(铁路桥)

4 结论

公铁两用连续钢桁拱结构方案，静力、自振特性及静力稳定性均满足相关规范要求。相对于铁路桥，公铁两用桥方案采用了双层钢桁加劲梁，梁体纵横向刚度均有较大的提高，结构自振周期要小。且结构静力稳定性表现为局部杆件失稳，拱肋一阶面外失稳的稳定系数高于铁路桥方案。

［1］徐伟.钢桁架刚性拱桥的设计［J］.桥梁建设，2006(增刊):1-3.

［2］秦顺全.宜万铁路万州长江大桥设计与施工［J］.铁道工程学报，2006(4):21-23.