鐵路大跨度鋼管混凝土系桿拱橋設(shè)計(jì)計(jì)算

王淑敏（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處，天津　300142）

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鐵路大跨度鋼管混凝土系桿拱橋設(shè)計(jì)計(jì)算

王淑敏
（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處，天津300142）

摘要以某鐵路大跨度鋼管混凝土拱橋?yàn)楣こ瘫尘埃谠斒鲈摻Y(jié)構(gòu)構(gòu)造形式及結(jié)構(gòu)尺寸的基礎(chǔ)上，利用有限元程序?qū)ο盗骸⒐袄?、吊桿等結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位及結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行了受力及變形分析，以期驗(yàn)證結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)尺寸的合理性。通過(guò)計(jì)算分析驗(yàn)證了該橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，受力變形滿足規(guī)范要求。同時(shí)也可為類似橋梁設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞鋼管混凝土；系桿拱；有限元；動(dòng)力特性

1　工程概況

某鐵路橋主橋上部結(jié)構(gòu)采用1-95. 7 m鋼管混凝土系桿拱，全長(zhǎng)98 m，平面位于線路直線段及緩和曲線段，立面位于平坡及坡度- 1. 2‰的縱坡上。橋面縱坡通過(guò)拱肋與系梁剛性旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，系梁統(tǒng)一采用坡度- 0. 98‰的縱坡，保證兩側(cè)梁端和梁頂?shù)臉?biāo)高不變，調(diào)整其余部位系梁梁頂?shù)理暮穸龋詽M足線路縱坡要求。吊桿垂直梁面布置。拱橋立面圖如圖1所示。

圖1　95. 7 m鋼管混凝土簡(jiǎn)支拱橋立面（單位：cm）

2　系桿拱結(jié)構(gòu)構(gòu)造

1）拱肋

系桿拱全長(zhǎng)98 m，計(jì)算跨度為95. 7 m，矢跨比為f/L = 1∶4. 984，拱肋立面投影矢高19. 2 m，拱肋采用二次拋物線。拱肋在橫橋向內(nèi)傾8°，形成提籃式樣。

拱肋橫斷面采用啞鈴形鋼管混凝土等截面，截面高度h = 2. 5 m，鋼管直徑為1 m，由厚20 mm的鋼板卷制而成，拱管內(nèi)灌注C50補(bǔ)償收縮混凝土。

2）橫撐

拱肋之間設(shè)1道一字撐和4道K撐。一字撐采用外徑1. 0 m的圓形鋼管組成，斜撐采用外徑0. 8 m的圓形鋼管組成，鋼管內(nèi)均不填充混凝土。

3）吊桿

吊桿采用OVM TES（FD）7-121成品索，平行布置，除D1和D2（D1'和D2'）間距為4 m外，其余吊桿間距均為5 m，全橋共設(shè)17對(duì)吊桿，吊桿縱向垂直梁面布置，在橫向內(nèi)傾8°。

4）系梁

系梁采用單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面，跨中梁高2. 50 m，端部梁高3. 05 m。梁部橋面板寬17. 5 m，底板寬14. 9 m，梁部斷面圖見(jiàn)圖2?；炷恋燃?jí)為C50。

3有限元分析模型的建立

本橋整體模型采用空間有限元程序MIDAS/ CIVIL計(jì)算，按照規(guī)范及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行動(dòng)靜荷載加載，列車荷載采用中-活載。主橋采用梁?jiǎn)卧⒛Ｐ瓦M(jìn)行分析。

采用梁?jiǎn)卧r(shí)，對(duì)于系梁、拱肋及橫撐的各桿件采用三維梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，其截面特性按照實(shí)際設(shè)計(jì)截面定義。拱軸線為二次拋物線，拱肋采用啞鈴形截面，鋼管和腹桿內(nèi)均填充混凝土（為等截面），采用“雙單元、共節(jié)點(diǎn)”的方法模擬鋼管混凝土拱肋。吊索采用桁架單元模擬，僅考慮其軸向的拉伸剛度。整體模型如圖3所示。

圖2　梁部斷面（單位：cm）

圖3　全橋有限元模型

4　全橋計(jì)算分析

4. 1系梁強(qiáng)度和應(yīng)力

4. 1. 1正應(yīng)力

最不利荷載工況下各截面正應(yīng)力見(jiàn)圖4和圖5（正號(hào)表示拉應(yīng)力，負(fù)號(hào)表示壓應(yīng)力，下同）。

4. 1. 2主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力

最不利荷載工況下各截面主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力見(jiàn)圖6。

圖4　最不利荷載組合下梁部截面上緣應(yīng)力

圖5　最不利荷載組合下梁部截面下緣應(yīng)力

圖6　最不利荷載組合下梁部截面主應(yīng)力

4. 1. 3抗裂性檢算

梁部控制截面抗裂性檢算結(jié)果見(jiàn)表1?？梢?jiàn)，抗裂安全系數(shù)K＞1. 2。

4. 1. 4剪應(yīng)力

運(yùn)營(yíng)荷載作用下，梁部各截面剪應(yīng)力見(jiàn)圖7。

表1　梁部控制截面抗裂性檢算結(jié)果

圖7　運(yùn)營(yíng)荷載作用下梁部截面剪應(yīng)力

4. 2拱肋應(yīng)力

最不利荷載組合下拱肋鋼管及混凝土的最大正應(yīng)力見(jiàn)表2。

表2　拱肋截面最大正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果　MPa

4. 3吊桿

各荷載組合下吊桿應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3　吊桿應(yīng)力組合計(jì)算結(jié)果　MPa

4. 4全橋動(dòng)力特性分析

根據(jù)三維有限元模型，對(duì)全橋進(jìn)行了動(dòng)力特性分析，分析結(jié)果：

橫向一階模態(tài)，自振周期0. 700 s，頻率1. 429 Hz。

豎向一階模態(tài)，自振周期0. 143 s，頻率6. 996 Hz。

扭轉(zhuǎn)一階模態(tài)，自振周期0. 350 s，頻率2. 861 Hz。

4. 5拱肋穩(wěn)定分析

4. 5. 1拱肋面內(nèi)的穩(wěn)定性

拱肋面內(nèi)的穩(wěn)定性按承受最大水平推力的中心受壓桿件進(jìn)行檢算。經(jīng)檢算拱肋面內(nèi)穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算值為6. 30＞5，滿足規(guī)范要求。

4. 5. 2拱肋面外的穩(wěn)定性

計(jì)算時(shí)，模型考慮活載效應(yīng)，屈曲模態(tài)見(jiàn)表4及圖8。

表4　拱肋面外穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

圖8　屈曲模態(tài)五透視圖（豎向及橫向側(cè)傾）

5　結(jié)語(yǔ)

本文以某鐵路大跨度鋼管混凝土系桿拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象，以三維有限元為研究方法，建立了該橋全橋有限元模型，并在此基礎(chǔ)上對(duì)主梁、拱肋、吊桿等結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位及全橋進(jìn)行了應(yīng)力、變形、動(dòng)力特性及穩(wěn)定性檢算。結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，既驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，又可為同類鐵路大跨度鋼管混凝土拱橋的設(shè)計(jì)與研究提供借鑒。

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（責(zé)任審編孟慶伶）

Design Calculation of Railway Long-span Concrete-filled Steel Tube Tied Arch Bridge

WANG Shumin
（Bridge Design Department，The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300142，China）

AbstractA railway large-span concrete-filled steel tube arch bridge was studied in this paper. Its structure and size were introduced. W ith finite element method，both global and local responses were evaluated to validate the rationality of design. T he key components including spring-beam，arch and suspension rod were analyzed. T he calculation results show that the strength and the deformation meet the requirements of relevant codes.

Key wordsConcrete-filled steel tube；T ied arch；Finite element；Dynamic characteristic

中圖分類號(hào)U448. 22+5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

DOI:10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 06. 05

文章編號(hào)：1003-1995（2016）06-0019-04

收稿日期：2016-01-22；修回日期：2016-03-28

作者簡(jiǎn)介：王淑敏（1972—），女，高級(jí)工程師。