铁路单箱单室梁-拱组合桥梁拱结合处受力研究

刘忠平 朱俊樸

(1．中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031；2．中南大学土木工程学院， 长沙 410075)

铁路单箱单室梁-拱组合桥梁拱结合处受力研究

刘忠平1朱俊樸2

(1．中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031；2．中南大学土木工程学院， 长沙 410075)

对于主梁采用单箱单室截面的铁路梁-拱组合桥梁，目前对其梁拱结合部位的受力性能研究较少。文章以兰渝铁路广元嘉陵江特大桥(82+172+82)m连续梁-拱组合桥为工程案例，利用MIDAS/Civil进行了全桥整体计算和分析，确定了梁拱结合处在施工阶段和运营阶段中的最不利荷载工况。利用ANSYS建立了梁拱结合处的实体分析模型，研究了其在最不利荷载工况下的应力分布规律和影响因素。研究表明，该桥最不利荷载工况下梁拱结合处整体受力较为合理，以纵向受压为主，仅在支座处、拱脚和0号块相接的角隅处有较大的应力集中，局部拉应力可达5.0 MPa。对于拉应力较大区域，设计可考虑设置过渡段、局部加强配筋、调整预应力束布置等措施来解决。

连续梁-拱组合桥； 梁拱结合处； 局部受力

梁拱结合部位是大跨度预应力混凝土连续梁-拱组合桥的关键部位，其受力性能将影响全桥承载能力，也影响梁拱组合桥的整体性[1]。对于连续梁-拱组合桥，其主梁中跨两端与加劲拱肋在梁拱结合处有效地结合在一起，下设支座。梁拱结合处在竖向和纵向要承受支座的反力、连续梁的预应力、系杆与拱肋传来的弯矩与轴力[2-3]，在横向要承受中支点横隔梁的预应力荷载及弯矩，因此该部位受力状况十分复杂。对于公路梁-拱组合桥，其梁拱结合处的受力情况国内学者已进行了广泛而深入的研究[4-7],但是目前对于总宽度较小、活载占比较大的铁路梁-拱组合桥，其梁拱结合处的有关研究还较少，尤其是主梁采用单箱单室截面的该类桥，其梁拱结合处的研究成果几乎没有。

本文以兰渝铁路广元嘉陵江特大桥为依托工程进行研究，该桥主梁采用(82+172+82)m预应力混凝土连续梁-拱组合桥，单箱单室截面。研究采用两步分析法[8-9]，运用MIDAS/Civil空间有限元分析软件建立了该桥的整体空间分析模型，确定了梁拱结合处在施工和运营中的最不利荷载工况，为梁拱结合处的局部有限元模型分析提取了边界荷载。之后，运用有限元分析软件ANSYS建立梁拱结合处的精细有限元分析模型，结合整体空间模型的分析结果，研究梁拱结合处在施工和运营中最不利荷载工况下的应力场分布规律及其主要影响因素，评价其细部设计的优缺点，并进行了局部构造措施优化。

1 工程背景

兰渝铁路为新建时速200 km/h客货共线铁路，其中位于四川省广元市附近的广元嘉陵江特大桥为主跨(82+172+82)m的预应力混凝土连续梁-钢管混凝土拱组合桥，是兰渝铁路广元至重庆段的控制性桥梁工程。广元嘉陵江双线特大桥主桥总布置如图1所示。

图1 广元嘉陵江双线特大桥总布置图(m)

为降低主梁截面横向内力，一般情况下，连续梁-拱组合桥的主梁多采用单箱双室截面，但由于单箱双室主梁与拱肋间存在受力不协调问题，故广元嘉陵江双线特大桥主梁采用单箱单室截面，以保证其主梁与拱肋间传力的顺畅和均匀。梁拱结合处纵向长度为26 m，桥面宽度13 m，横向加厚部分宽1.6 m，横梁厚4.2 m，拱座长12.8 m，高5.51 m，其梁拱结合处结构尺寸如图2所示。

图2 广元嘉陵江特大桥梁拱结合处结构及尺寸(cm)

2 计算模型与计算参数

本文采用两步分析法，首先基于MIDAS/Civil空间有限元分析软件建立全桥空间模型，然后在全桥有限元模型中提取局部有限元模型截断面在施工和运营中最不利荷载工况下的内力值，在局部有限元模型上等效加载边界力和位移边界条件。全桥混凝土标号C55，钢材标号Q345。在建立全桥模型时，主梁、拱助及风撑用梁单元模拟，吊杆用桁架单元模拟。全桥共划分为330个梁单元，30个桁架单元，346个节点。全桥模型如图3所示。在有限元分析计算时，对全桥施工阶段结构自重和预应力荷载通过在结构组的激活来实现，施工过程中的挂篮、吊篮和临时施工荷载通过荷载组的激活和钝化来实现。

图3 全桥计算有限元模型图

全桥模型建立之后，再运用大型通用有限元软件ANSYS，建立梁拱结合处的精细有限元空间模型。局部模型的建立基于圣维南原理[10]，假定以泊松比和弹性模量表示结构的材料特性，将结构视为均质弹性体，不考虑结构及材料的非线性[11]。不考虑混凝土与预应力筋间的滑移效应，但考虑了预应力效应的损失。以主梁0号、1号、2号节段共延伸长度26 m，拱肋伸出拱座混凝土截面2.55 m的范围为局部有限元模型的分析对象。采用solid45单元模拟，结合部位结构离散后的局部模型包括109 504个节点，534 244个单元。在截断面上用等效荷载法对局部模型施加边界力，通过在单元上施加体荷载的方式施加预应力荷载，在ANSYS程序中设了预应力钢筋单元网格与实体网格划分的耦合，考虑预应力的损失[12-13]。建立的ANSYS模型如图4所示。

图4 局部计算有限元模型图

梁体C55混凝土容重为26.5 kN/m3，钢材容重为78.5 kN/m3，拱肋钢管内混凝土容重为23.5 kN/m3，二期恒载按181 kN/m考虑。基础不均匀沉降考虑相邻两支点均匀沉降之差≤2.0 cm。桥上铺设双线有砟轨道，计算活载采用中-活载，施加双线活载，折减0.9，冲击系数取1.064。列车横向摇摆力按主力计，其值为100 kN，制动力或牵引力按全联连续梁满载时竖向静活载的10%计。风力按TB 1002.1-2005《铁路桥涵设计基本规范》规定计算[14]。

3 施工和运营中的最不利荷载工况

通过对梁拱结合处(0号梁段)主梁截面在各施工阶段的应力分析结果，确定施工过程中的最不利荷载工况。在各施工阶段中，梁拱结合处主梁截面的顶板和底板应力计算结果如图5所示。

图5 梁拱结合处主梁截面的顶板和底板应力计算值

16号梁段预应力钢束张拉前，梁拱结合处主梁截面顶板应力出现最大值，中跨合龙段预应力钢束张拉后，主梁截面底板应力出现最大值，它们均为主梁悬臂施工阶段的最不利荷载工况。为和运营阶段进行比较，也将施加二期恒载后施工阶段做为局部分析荷载工况。在运营阶段下，分别分析了主力包络和主力+附加力包络2种荷载工况，对应分别设为运营阶段梁拱结合处局部分析的荷载工况。

通过计算静力荷载工况，求得梁拱结合处截断面的内力值，等效施加在ANSYS模型断面上。从整体有限元模型中，将上述几种工况下提取的构件截断面位置内力互相叠加后，即得到局部有限元模型中各构件截断面上应施加的内力，如表1所示。局部模型加载示意如图6所示。

图6 局部模型加载示意图

4 梁拱结合处的力学性能分析

结合选取的施工和运营中的最不利荷载工况和梁拱结合处局部模型的等效边界力，对比各工况下局部模型的等效边界力，将5种荷载工况分为施工阶段和运营阶段分别进行分析。

表1 梁拱结合处有限元模型的等效边界力

4.1 施工阶段应力分析

ANSYS计算得到的施工阶段的3种工况主拉应力状态的应力云图如图7所示。

图7 施工阶段梁拱结合处应力云图(Pa)

施工阶段的3种荷载工况下，梁拱结合处绝大部分区域应力为负值，混凝土主要处于受压应力状态，大部分区域的混凝土压应力小于13.2 MPa。由于约束作用的存在，支座处产生应力集中，支座周围最大压应力达16.8 MPa。同样，因应力集中引起支座周围局部拉应力达4.0 MPa，为结构拉应力最大部位。拱座与主梁0号块相接角隅处由于构造原因导致局部应力集中，出现了较大拉应力，为3.0 MPa。0号块处于负弯矩区，其上缘出现了一定程度的拉应力，一般小于1.5 MPa。

对于钢管混凝土与拱脚的结合部位，钢管内混凝土由于外围钢管的套箍作用，处于三向受压状态，受力均匀且压应力还有一定储备。在拱脚与拱肋交接处由于应力集中原因出现了一定的拉应力，但均未超出材料容许应力值。

4.2 运营阶段应力分析

ANSYS计算得到的运营阶段的2种工况主拉应力状态的应力云图如图8所示。

图8 运营阶段梁拱结合处应力云图(Pa)

运营阶段梁拱结合处绝大部分区域混凝土仍处于压应力状态。在支座附近、结构构造突出部因应力集中导致了有较大的拉应力，其中支座处局部最大拉应力达5.0 MPa，拱座和0号块相接的角隅处和对应的翼缘根部腹板变厚段角隅处应力集中效应明显，但是这些区域所占比重较小。0号块上缘处于负弯矩受拉区，拉应力整体分布比较均匀，在1.8 MPa以下。由于拱对0号块的压力作用，拱脚处的拉应力明显小于0号块上缘。

5 结束语

(1)施工阶段和运营阶段最不利荷载工况下，梁拱结合处的混凝土主要处于受压应力状态，因支座约束作用导致其周围产生了应力集中，计算的最大压应力和拉应力均位于该处，桥梁设计时应重点关注支座周围混凝土的受力性能。

(2)拱座和0号块相接的角隅处，由于构造原因也出现了一定的局部应力集中现象。

(3)铁路单箱单室梁-拱组合桥梁拱结合处的混凝土整体受力较为合理，该部位处的主梁、拱座和拱肋截面应力分布较均匀。

(4)支座周围容易产生应力集中现象，应该注意加强此处钢筋网的布置；对于拱脚与梁0号块相接的角隅处出现的拉应力，建议在拱座与拱肋交接处，拱座与0号段梁体的交接处设置一定的混凝土过渡段，并在过渡段设置局部加强钢筋，减少结构角隅处的应力集中。

(5)在顶板、底板、腹板、横隔板及拱助互相交汇区域等刚度变化较大的部位，尽量将结构倒角和转折处做得圆顺平滑，避免尖角出现，可以使应力集中现象得以缓和，以改善受力性能。

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Study on the Stress of Beam Arch Combination of Railway Beam and Arch Combination Bridge with Single Box Single Room Section

LIU Zhongping1ZHU Junpu2

(1.China Railway Eryuan Engineering Croup Co.,Ltd., Chengdu 610031,China；2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075,China)

The railway beam and arch combination bridge is studied seldom on the stress performance of the beam arch combination that its main beam is single box single room section. Taken a continuous beam and arch bridge with spans (82+172+82) m on Lanzhou-Chongqing railway as an engineering example, MIDAS/Civil was used to calculate and analyze the whole bridge, the local stress calculation load of the beam arch combination in the construction stage and operation stage was determined. The solid model of the beam arch combination is established with ANSYS, and the stress distribution law and the influencing factors under the most unfavorable load are studied. Studies show that the beam arch combination as integrated force is more reasonable under the most unfavorable load conditions, dominated by longitudinal compression and has the larger stress concentration only in support, arch feet and block connected with the corner, local tensile stress 5.0mpa.For the larger tensile stress region, the design can be solved by setting the transition section, reinforcing the local reinforcement, adjusting the layout of prestressed steel.

Continuous beam and arch bridge; Beam arch combination; Local stress

2015-09-24

刘忠平(1982-)，男，高级工程师。

1674—8247(2016)04—0060—06

U448.21+6

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