六四式军用梁钢拱架有限元数值分析

汪捍东，陈正

(四川公路桥梁建设集团有限公司，四川 成都 610041)

砼箱形拱桥由于主拱圈截面以受压为主，能充分发挥砼的抗压性能，且具有降低工程造价、施工工艺成熟等优点，成为跨越沟谷的理想桥型之一。六四式铁路军用梁是中国自行研制的适用于中等跨度、标准轨距和1 m轨距的铁路桥梁抢修制式器材，其主要构件分为标准三角(六四式铁路军用梁)与加强三角(加强型六四式铁路军用梁)，标准三角所有杆件均采用l6锰低合金钢钢材，加强三角除上弦和弦杆采用15锰钒氮低合金钢钢材加强外，其余杆件也均采用16锰低合金钢钢材。湖北省恩施州巴东县野三关大桥主拱圈浇筑中，钢拱架利用六四式军用梁中标准三角和加强三角，通过特制T形连接构件及拱脚端三角进行连接，以折线形式拟合悬链线而拼装成形。

1 工程简介

野三关大桥全桥位于直线段上，全桥布跨为2×20 m简支T梁+130 m钢筋砼箱拱+20 m简支T梁，总长204 m，交角为90°。主桥为上承式钢筋砼箱形拱，主拱圈为等截面悬链线箱形无铰拱，净跨径L0=130 m，净矢高f0=32.5 m，净矢跨比1/4；主拱圈计算跨径L=131.896 m，计算矢高f=32.935 m，拱轴系数m=2.2。

钢拱架采用六四式军用梁拼装，拱轴线依据该桥拱桥轴线参数拟定，线形为悬链线，L0=126.708 m，f0=30.266 m，净矢跨比为S/L=0.239，m=2.2。

钢拱架由标准三角或加强三角与特制T形连接板和拱脚端三角组装而成。单榀钢拱架由18片8 m钢拱架、3片4 m钢拱架、18片特制T形连接构件和2片特制拱脚端三角拼装而成，标准三角之间或标准三角与T形连接构件均用六四式军用梁钢销连接，标准三角与拱脚端三角采用六四式军用梁撑杆钢销连接。全桥横向布置34榀六四式军用梁，拱架全宽10.12 m。拱圈、拱架平立面布置见图1。

图1 拱圈、拱架布置(单位：cm)

2 有限元模型

结构分析采用MIDAS/Civil有限元分析软件，钢拱架采用空间杆系模拟，拱圈腹板、顶板、横隔板、底板采用板单元模拟，拉索及缆风索均采用桁架单元模拟。

2.1 模型荷载

模型荷载主要考虑自重、拱盔荷载、施工荷载、风荷载及温度荷载。其中：自重由钢材及砼的容重计算得到；考虑槽钢和竹胶板(模板)等拱盔结构自重，每节点施加大小为0.112 kN的节点荷载；根据JTG/T F50-2011《公路桥涵施工技术规范》附录D，考虑到施工人员和施工材料、机具行走运输或堆放产生的荷载及振捣砼产生的荷载，施加一个4.5 kN/m2的均布荷载到拱圈底板面，通过拱圈底板传递给钢拱架；根据JTG/T D60-2004《公路桥梁抗风设计规范》计算得到风荷载F=1.9 kN/m；温度荷载按升降温15 ℃考虑。

各施工阶段的荷载组合为1.0自重+1.0施工荷载+1.0风荷载+1.0缆风索初拉力荷载。

PostCS阶段(成桥阶段)的荷载组合分为2种：1) 1.0恒荷载+1.0升温；2) 1.0恒荷载+1.0降温(其中自重、施工荷载、风荷载、缆风索初拉力荷载均为恒荷载)。

2.2 拱圈模型

考虑到该桥主拱圈采用分环分段进行施工，主拱圈采用板单元模拟，按照施工流程将模型分为9个节段CS22～CS30,分别为一环一段、一环二段、一环三段、二环一段、二环二段、二环三段、三环一段、三环二段、三环三段。主拱圈有限元模型见图2。

图2 主拱圈有限元模型

2.3 钢拱架模型

钢拱架采用缆索吊装法组装，先从拱脚S11～S13节段对称吊装拼装，再安装S14节段完成单榀拱架合龙，最后逐一安装其余单榀拱架(见图3)。

图3 钢拱架安装顺序示意图

根据钢拱架安装方法，有限元模型共分为20个节段，各节段安装的同时张拉扣索及缆风索。由于风荷载只在钢拱架一侧模拟，缆风索只在风荷载同侧模拟，并赋予50 kN的初拉力。为确保数值分析的准确性，模型根据工程实际情况模拟出两侧交界墩及锚碇用于张拉背索。钢拱架有限元模型见图4。

图4 钢拱架有限元模型

3 数值分析

按照实际施工顺序进行数值分析。模型共分20个施工节段，其中CS1～CS20节段为钢拱架分节段拼装，CS21节段为拆除扣索、背索，横向连接施工、施加拱盔荷载，CS22～CS30施工节段为主拱圈砼分环分段浇筑。

3.1 CS1～CS20节段数值分析

对钢拱架分节段拼装进行数值分析，发现在钢拱架分节段拼装过程中应力较小。在CS20节段，结构出现最大应力，最大拉、压应力分别为111、-104.6 MPa；在CS8和CS12节段，结构出现最大位移38.9 mm。对钢拱架影响较小，在此不再赘述。

3.2 CS21～CS30节段数值分析

在拆除钢拱架扣索及主拱圈分环分段浇筑(CS21～CS30节段)过程中，钢拱架数值分析结果见表1和图5、图6，应力以受拉为正、受压为负。

表1 CS21～CS30施工节段钢拱架数值分析结果

图5 CS21～CS30节段最大应力

图6 CS21～CS30节段最大位移

由表1和图5、图6可知：在主拱圈分环分段浇筑过程中，钢拱架的强度、刚度及稳定性均满足施工要求。拱架最大拉应力为81.4～105.9 MPa，变化较小；压应力由-103.5 MPa逐步递增至-220.0 MPa，在浇筑主拱圈的过程中，特别是在CS24节段及以后，应实时关注以上弦杆为代表的受压杆件，以防杆件受压失稳。相对于CS21节段，CS22节段时拱脚受压抬高拱顶致使变形位移减小，而CS23节段时拱顶受压致使变形位移陡升，直到CS24节段钢拱架变形才趋于稳定。在浇筑主拱圈尤其是一环一段和一环二段施工时，应注意拱架变形，保证主拱圈设计线形。

3.3 PostCS阶段数值分析

依据JTG D64-2015《公路钢结构桥梁设计规范》，PostCS阶段考虑温度荷载(升降温15 ℃)的影响。该阶段钢拱架数值分析结果见表2。

表2 PostCS阶段钢拱架数值分析结果

PostCS阶段主要考虑温度荷载对钢拱架的影响。由表2可知：在升温作用下，钢拱架最大拉、压应力变化均不大；在降温作用下，最大拉应力下降接近20 MPa；钢拱架最大位移在温度作用下均下降。说明温度荷载对钢拱架有一定影响，选择合适的温度合龙钢拱架和主拱圈有利于结构受力。

4 结论

通过对钢拱架安装及主拱圈浇筑全过程的数值分析，得出以下结论：

(1) 利用六四式军用梁拼装钢拱架以现浇主拱圈，钢拱架设计能满足规范规定的风荷载、施工荷载、温度荷载、缆风索初拉力荷载及拱圈自重组合作用下的承载力要求。

(2) 合适的温度会对结构受力产生有利影响，可进一步细分温度荷载下数值分析结果，探究钢拱架及拱圈合龙的最有利温度。

(3) 钢拱架若有部分应力超过设计值，可用加强三角代替标准三角，以增强钢拱架的局部强度，同时提升工程经济性。