大跨度铁路钢桁拱桥结构静力行为分析

2017-09-15董营营赵爱国

四川建筑 2017年4期

关键词：活载腹杆全桥

董营营，赵爱国

(山东高速四川产业发展有限公司，四川乐山 614000)

大跨度铁路钢桁拱桥结构静力行为分析

董营营，赵爱国

(山东高速四川产业发展有限公司，四川乐山 614000)

文章以某高铁特大跨度上承式钢桁拱桥为工程背景，利用有限元分析软件MIDAS建立了拱桥的模型，并进行了拱肋的内力和应力分析。通过详细比较各分项荷载引起的拱肋轴力和应力，对大跨度铁路钢桁拱桥的拱肋受力特征有了进一步认识，所得结论可为该类型桥梁的详细设计提供有益参考。

大跨度；钢桁拱桥；有限元；荷载；内力；应力

1 概述

在我国西南山区，大跨度钢桁拱桥能够充分利用峡谷地形，具有承载能力高、刚度大、抗震性能好的优点[1-3]。其结构行为具有三个特点：(1)钢桁刚健属于轴向受力杆件，能充分利用材料的力学性能，每个杆件均可通过受力状态调整其截面和材料，具有良好的经济性。(2)能承受施工中的各种荷载作用。(3)构件或节段相对较轻，对吊装重量和设备要求低。

本文以西南某大跨铁路钢拱桥(图1)为背景，着重探讨拱肋杆件在各设计荷载下的内力大小，以期未来在同类桥梁设计参考及优化。

图1 桥梁立面布置

背景工程主桥为352 m上承式钢桁拱，矢高64.5 m，矢跨比1/5.46。引桥及拱上梁跨布置为24 m简支梁和2×48 mT构。拱顶主桁中心距8.0 m，拱脚处主桁中心距27.0 m，拱肋内倾角8.3786°。

线路等级为单线Ⅱ级，旅客列车设计行车速度120 km/h，有砟轨道，活载采用中-活载。

为研究铁路曲线刚构桥的力学行为，本文对依托工程进行了静力和动力分析，并得出相关结论。

2 计算方法

2.1 有限元详细模型

本文应用MIDAS/CIVIL建立全桥空间结构计算分析模型，共计2 060个节点，1 932个梁单元，分别利用弹性连接、主从连接、一般支承、节点弹性支承等边界单元模拟了梁部与上部简支梁间、承台与桩基础的连接、桩底固结、桩-土共同作用等边界条件。全桥有限元模型如图2所示。

图2 全桥有限元模型

本桥弦杆采用Q370qE钢，腹杆、横向连接系、拱上墩等位置采用了Q345qE钢，结合梁混凝土部分、T构墩部均采用了C40混凝土，T构梁部采用了C55混凝土。

另外，本桥弦杆有四种截面(分别为弦杆a、弦杆b、弦杆c、弦杆d)，为带肋箱型截面；腹杆有三种(腹杆3、腹杆4、腹杆5)，为工字形截面。

2.2 荷载作用及组合

一期恒载：根据构件实际截面和容重计算。

二期恒载：线路设备、道砟、人行道步板等附属设施等二期恒载按74.8 kN/m计算。

列车：中—活载

横向摇摆力：取100 kN，作为集中荷载形式作用于跨中位置，其作用点在垂直于线路中心线的轨顶。

温度荷载：分别按体系升降温25 ℃考虑。

制动力：取列车竖向静活载的10 %计算，考虑竖向动力作用时，则取7 %。

风荷载：无车，W=k1k2k3；有车，W=0.8·k1k2k3≤1 250 Pa。基本风压取700 MPa。

恒载组合考虑：

(1)主力组合：一恒+二恒；

(2)主力组合：恒载组合+活载+摇摆力。

主+附组合：

(1)主力组合+风荷载+温度荷载；

(2)主力组合+制动力+温度荷载。

3 静力计算结果

3.1 拱肋内力分项计算结果

拱肋轴压力毫无疑问由恒载控制，其它荷载产生的内力都远远小于恒载；而在拱肋中由恒载产生的轴拉力主要为上弦杆，明显比其他荷载产生的内力要小的多，此时无明显控制作用，升温产生的拉力最大，而列车和制动力和摇摆力产生的内力和其也很接近。而正负弯矩各个荷载的贡献程度都很相似，都是恒载产生的弯矩最大，其次是活载等原因。

如果将图3、图4对比来看可以发现对拱肋整体来说依旧是轴压力起到绝对的控制作用，但是本桥的弯矩也不可忽视。除了在拱肋轴拉力因恒载产生的轴拉力比例比其他减少较大而有所不同以外，其他内力情况各荷载贡献情况基本一致。值得注意的是，风荷载虽然是水平力，但仍然在y方向产生了不小的弯矩。