(92+3×152+92) m连续梁-拱桥结构计算分析

姜海君

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京　102600)



(92+3×152+92) m连续梁-拱桥结构计算分析

姜海君

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京102600)

以金华至台州铁路(92+3×152+92)m连续梁-拱桥为背景，分别采用MIDAS和BSAS软件建立空间三维模型和平面杆系模型，通过对两模型计算结果的对比分析，得出两计算模型分析结果的差别；通过不同横撑形式对结构稳定性的影响分析，为类似的连续梁-拱桥结构设计提供参考。

92+3×152+92) m连续梁-拱桥平面杆系模型空间三维模型

1　工程背景

金华至台州铁路起自金温扩能改造项目永康南站，至甬台温铁路台州站，线路长175.38 km，为单线Ⅰ级铁路，设计时速160 km。线路于TDK006+800里程处跨越灵江，桥位处灵江宽度660 m，线路与台金高速公路并行。台金高速公路跨越灵江采用(92+3×152+92) m矮塔斜拉桥，根据防洪评估报告和通航论证报告要求，桥梁跨度必须与金台高速公路跨灵江特大桥跨度保持一致，同时考虑景观要求，采用(92+3×152+92) m连续梁-拱桥方案跨越灵江。

2　结构尺寸的拟定

(92+3×152+92)m连续梁-拱桥(如图1所示)全长641.6 m，边支座中心线至梁端0.8 m。本桥三个拱圈采用相同的矢跨比，拱肋计算跨度L=152 m，设计失高f=27.636 m，矢跨比为1/5.5，拱轴线采用二次抛物线方程。拱肋采用等高度哑铃形截面(如图2所示)，截面高度3.1 m，拱肋及腹腔内填充C50微膨胀混凝土。两拱肋间共设置7道横撑，横撑均采用“X”形撑，各横撑钢管内不填充混凝土。吊杆顺桥向间距8 m，每个拱圈设置15组单吊杆(每组2根)，吊杆采用PES(FD)7-73型低应力防腐拉索(平行钢丝束)，外套复合不锈钢管，配套使用冷铸镦头锚。

主梁采用单箱单室、直腹板、变高度预应力混凝土连续梁结构。中跨跨中(如图3所示)和边支点(如图4所示)处梁高为4.6 m，中支点(如图5所示)处梁高为9.0 m，梁底下缘按圆曲线变化；箱梁顶宽10.4 m，底宽7.6 m。为满足支座安装要求，中支点梁底每侧加宽1.4 m。顶板厚45～65 cm，按折线变化；底板厚度40～120 cm，按圆曲线变化至中支点梁根部，顶板及底板均在隔墙位置加厚；腹板厚度为45 cm至80 cm至110 cm，按折线变化。

图1　全桥立面布置(单位：cm)

图2　拱肋截面(单位：cm)

图3　跨中横断面(单位：cm)

图4　边支点横断面(单位：cm)

图5　中支点横断面(单位：cm)

3　结构计算

3.1计算模型建立原则

本桥位于台风多发区，风荷载较大，如果单纯依靠一般桥梁结构的平面杆系结构分析程序，难以准确分析结构的实际受力状况，故设计中分别采用平面杆系模型和空间三维模型进行分析。

建模原则如下：(1)尽量如实模拟结构形状和尺寸的变化(如腹板厚度的变化、构件的长度、截面上的倒角等)；(2)准确模拟边界条件(如支座位置、类型、支座刚度等)；(3)在保证求解精度和速度的前提下，尽量简化模型，使模型更简单[1]。

3.2计算模型

本桥以(92+3×152+92) m连续梁-拱桥为背景，分别采用MIDAS和BSAS软件建立三维空间模型和平面杆系模型，三维空间模型如图6所示。

图6　(92+3×152+92) m连续梁-拱桥三维空间模型

3.3纵向计算结果

分别提取平面杆系模型和空间三维模型在主力(恒载+活载)作用下次中墩支点、次中跨跨中、中墩支点和中跨跨中截面纵向正应力结果进行对比[2](如表1所示)；分别提取平面杆系模型和空间三维模型施加二期恒载后吊杆内力、收缩徐变后吊杆内力结果进行对比(如表2和表3所示)。

表1　应力对比　MPa

由表1～表3结果可以得出以下几个结论[3-5]：

(1)两计算模型在施加二期恒载后各吊杆内力分配和内力之和相差均不大；两计算模型在收缩徐变后各吊杆内力分配和内力之和相差都比较大，说明两计算软件在收缩徐变的计算上存在较大的差异，但三维空间模型吊杆内力之和与施加二期恒载后吊杆内力总和比较接近，更为合理。

表2　中拱吊杆内力对比　kN

表3　边拱吊杆内力对比　kN

(2)施加二期恒载后两模型中拱吊杆内力之和均为边拱的1.7倍；收缩徐变后平面杆系模型吊杆内力之和为边拱的1.3倍，但空间三维模型吊杆内力之和为边拱的1.5倍，与施加二期恒载后比值比较接近，更为合理。

(3)由表1可知，两计算模型在次中墩支点和中墩支点位置应力最大差值0.2 MPa，计算结果比较吻合；在次中跨跨中和中跨跨中位置应力最大差值为1.0 MPa，结果相差较大，但总的趋势相同，跨中位置应力相差较大的原因可能由于吊杆内力不同所造成。

3.4稳定性计算

本桥为单线桥，横向宽度较小，拱肋稳定性横向较差，计算分析发现横撑对拱肋的稳定性影响较大，在恒载及活载作用下各种横撑失稳模态及稳定系数如表4所示。

由表4和图7～图10结果可以看出[6-9]：

拱肋横撑的形式对拱肋稳定性影响较大，各种横撑形式下拱肋一阶失稳模态均为横桥向面外正对称侧向失稳且均为中拱肋失稳；其中“X”形横撑稳定系数最大，为“K”形横撑的1.5倍；当采用“一”形撑后结构稳定性急剧下降到1.7，与完全拆除横撑后结构稳定性0.7相差不多。

表4　失稳模态及稳定系数

图7　模型1一阶失稳模态

图8　模型2一阶失稳模态

图9　模型3一阶失稳模态

图10　模型4一阶失稳模态

4　结论

通过分析，得出以下几个结论供以后连续梁-拱桥结构设计参考[10-11]：

(1)中拱吊杆受力远大于边拱，中拱拱肋及吊杆结构尺寸应比边拱大。

(2)两种计算模型的收缩徐变计算差异较大，应进一步从理论上进行研究，选择合理的计算方法。

(3)拱肋结构受温度荷载和风荷载影响较大，平面杆系模型不能对两拱肋温差进行模拟，也不能对横向风力进行模拟；另外从计算结果中可以看出，空间三维模型计算结果比平面杆系模型计算结果更为合理，建议以后的设计中尽量采用三维空间模型进行计算，采用平面杆系模型进行复核。

(4)横撑形式对拱肋稳定性影响较大，且均为中拱肋横桥向面外正对称侧向失稳，设计时应选择合理的横撑形式来提高结构的稳定性。

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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年毕业于西南交通大学桥梁与隧道工程专业，硕士，工程师。

1672-7479(2016)02-0097-03

U442.5

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