200km/h单线铁路80 m跨简支系杆拱桥受力分析

2016-12-30王向阁

铁道勘察 2016年6期

关键词：活载全桥吊杆

王向阁

(中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院，山东济南 250022)

200km/h单线铁路80 m跨简支系杆拱桥受力分析

王向阁

(中铁工程设计咨询集团有限公司济南设计院，山东济南 250022)

以200 km/h单线铁路80 m跨简支系杆拱桥为研究对象，介绍其主梁、拱肋和吊杆等构件的设计参数。建立空间整体有限元模型，分析该简支系杆拱桥的支座反力、吊杆拉力分配以及主梁竖向位移等整体受力性能，并采用Ansys建立拱脚实体有限元模型，将整体模型计算内力结果施加至局部模型边界上，计算分析拱脚应力分布规律。最后分析了横撑以及材料、几何非线性对结构稳定性的影响。计算结果表明，结构整体受力、局部应力及结构稳定性均满足规范要求。

系杆拱桥简支拱桥单线铁路钢管混凝土受力分析

拱桥具有较大的刚度，在中等跨度铁路桥梁中常常被采用[1-3]。简支拱桥作为外部静定结构，受力明确，不需要边跨，具有较好的经济性[4-5]。其中，系杆简支拱桥拱的推力由主梁承受，墩台不受推力，可以在地质条件较差的地区采用[6]，例如在桥梁建筑高度受到限制的平原地区，但又需要较大跨度时，该种结构形式是较合理的桥式之一[7，8]。新建铁路龙烟线于GDK2+628.875处采用80 m跨系杆拱桥跨越威乌高速联络线(交角47°)；于DK47+402.7处采用80 m跨系杆拱桥跨越213省道(交角42°)。以该80 m跨的钢管混凝土简支系杆拱桥为例，介绍其结构设计参数，分析其整体受力性能、拱脚局部应力分布以及结构整体稳定性，可为类似跨度的单线铁路简支拱桥设计提供参考。

1 结构设计参数

本铁路系杆拱桥跨径为80 m，拱肋采用钢管混凝土拱，主梁的两端简支在墩台上，如图1所示。主梁采用单箱双室截面，全宽10.3 m，桥面设2%双向横坡。标准段梁高2.5 m，拱脚处受力较大且较为复杂，梁高扩大到3 m。其中标准段顶板宽10.3 m，厚30 cm，底板宽7.6 m，厚30 cm，中腹板厚30 cm，边腹板厚35 cm(见图2)；拱脚扩大段部分顶板宽10.3 m，厚60 cm，底板宽8.3 m，厚140 cm，中间腹板厚130 cm，边腹板厚150 cm。主梁内的纵向预应力分为第一阶段预应力(现浇阶段张拉)和第二阶段预应力(二期恒载上桥前张拉)两类，并采用支架现浇施工法。

图1 1/2全桥立平面布置(单位：cm)

图2 跨中主梁截面置(单位：cm)

拱肋为钢管混凝土拱，采用悬链线线形，矢跨比为1∶5，悬链线系数为1.167。拱肋截面为由两根φ800 mm×16 mm的钢管和腹板组成高2.3 m的哑铃形。钢管外径80 cm，壁厚16 mm，钢管内灌注C55混凝土，如图3所示。

图3 拱肋截面(单位：mm)

全桥共布置14对(28根)LZM7-61吊杆，以及6根横撑和3根X撑。吊杆采用LZM7-61型吊杆，锚固在主梁底端，锚固间距基本采用5 m等间距布置，配套使用冷铸锚。锚固均设置在主梁横隔板处，以免截面被过多削弱。

2 静力分析

采用Midas/Civil建立全桥空间有限元模型，如图4所示。该桥主梁为单箱双室预应力混凝土箱梁，桥面较宽，模型中采用梁格模拟主梁。每片纵梁包含1片腹板，3片纵梁之间由横梁(包括横隔板和虚拟横梁)连接。拱肋采用梁单元模拟，通过定义联合截面模拟钢管混凝土，吊杆采用只受拉桁架单元模拟[9]，全桥共被离散为657个节点，562个单元。

图4 有限元模型

模型中计算荷载按主力和附加力考虑，主力包括恒载和活载，恒载为结构自重、预应力和混凝土收缩徐变；活载为列车竖向静活载、横向摇摆力和人行道人行荷载及横向摇摆力[10]。附加力包括风力和温度荷载，温度荷载按整体升温降温20 ℃和系梁顶板升温8 ℃考虑，模型中主要荷载组合见表1。

表1 荷载组合

该简支系杆拱桥4个支座的反力如图5所示，恒载、中—活载和人群荷载作用下4个支座反力分配基本一致，恒载作用下结构的支反力是中—活载作用下的4.7倍左右。

图5 支座反力

图6 吊杆拉力

从图6可以看出，恒载、活载及工况5荷载组合下，该桥共14对吊杆的最大拉力分配比较均匀。在主力和附加力包络工况下，吊杆最大拉力为1 007 kN，安全系数为3.9。

如图7所示，恒载作用下，主梁最大竖向位移为11.57 mm，中一活载作用及工况5作用下主梁最大竖向位移为11.55 mm和32.37 mm，均小于L/800 (L为桥梁跨度)，满足规范要求[11-12]；而主梁最大横向位移为0.37 mm，小于L/4 000。

图7 主梁竖向位移

为详细分析拱脚处的应力，采用Ansys建立局部有限元模型。拱脚处混凝土采用实体单元Solid 45进行模拟，预应力钢束用杆单元Link 8模拟，并且用约束方程将预应力筋的节点和其附近的混凝土节点联系起来，以考虑他们的共同作用。根据实桥约束情况，在局部模型底部支座范围内分别约束节点相应方向自由度，拱肋及主梁边界截面施加相应内力，内力大小从全桥模型中提取。

分别选取了主梁和拱肋最大轴力、最大剪力、最大弯矩六种工况进行计算，最后包络得到拱脚处的最不利主拉应力和主压应力(如图8所示)。

图8 拱脚局部应力 (单位: MPa)

从图8中可以看出，扣除局部影响，拱脚主梁顶板和底板的主拉应力最大值约为3.44 MPa和2.89 MPa，主梁的大部分主拉应力基本在-0.44～3.44 MPa内；三角形拱座的主拉应力基本在-0.44～0.67 MPa内。拱脚主梁顶板大部分的主压应力约在-7.91～-1.98 MPa内，底板的主压应力在-11.9～-1.98 MPa内，三角形拱座部分的主压应力基本在-5.93～0 MPa内。局部分析结果表明，拱脚应力均未超过规范规定的安全应力值。

3 稳定性分析

对该桥线性稳定性的分析结果见表2，分别分析了3种不同工况的计算结果，各种工况下结构均为面外失稳，分别是：恒载、恒载+全桥均布活载和恒载+半桥均布活载，其中均布活载大小为100 kN/m。该拱桥稳定系数在各种工况下从6.925到8.386，满足规范稳定性大于4的要求[10]。

从表2中可以看出，恒载加上活载的稳定系数要低于恒载单独作用下的稳定系数，活载中均布荷载越大其稳定系数越低。若仅除去原桥中的X撑，其稳定系数下降了约16.8%，若仅除去横撑，稳定系数下降了约9%，除去X撑和横撑稳定系数下降了约64%。由此可知，在拱肋顶端的X撑和横撑对稳定都十分重要，且其中拱肋顶部X撑对稳定性的贡献要更大些。

表2 横撑布置对稳定系数影响

根据线性稳定性分析中一阶模态的变形情况，将10 mm左右的初始位移(大约为弹性计算出一阶失稳模态位移的1%)加在拱桥上。而材料非线性主要考虑钢材的应力-应变曲线关系，以及钢管内、钢管外混凝土的应力-应变曲线关系。

仅计算稳定系数最小的恒载+全桥均布活载一种荷载工况。恒载按照全桥布置110 kN/m的均布荷载计算，活载按照全桥布置计算，以50 kN/m为一个荷载等级循环加载，可以得到拱顶的最大位移和荷载曲线(如图9所示)。当荷载小于500 kN/m时材料基本处于弹性状态，随后拱肋1/4处、3/4处上弦杆先开始进入弹塑性状态。随着荷载加大，拱顶处上弦杆也开始进入了弹塑性阶段。当荷载达到828.3 kN/m时，拱顶位移突然增大，结构因为横向位移过大而发生失稳破坏。在考虑双重非线性情况下计算出的屈曲荷载为828.3 kN/m，而按照弹性理论计算出的屈曲荷载为1454.25 kN/m。两者相比，非线性的临界荷载要比线弹性小43%左右。