拱肋內(nèi)傾對提籃拱靜力性能的影響

徐紅 覃明林

摘要：以南廣鐵路肇慶西江特大橋?yàn)楸尘?，采用Midas/civil軟件分析了四種工況作用下拱肋內(nèi)傾角變化對結(jié)構(gòu)的靜力特性以及穩(wěn)定性的影響。綜合分析結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性得出400m級大跨度鋼箱提籃拱在拱肋傾角在4.8 °～6 °使結(jié)構(gòu)的綜合性能達(dá)到最優(yōu)。研究結(jié)果可為同類型的橋梁設(shè)計(jì)與施工提供參考。

【關(guān)鍵詞】拱肋傾角;靜力特性;穩(wěn)定性

鋼箱提籃拱橋作為一種新型橋梁結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)輕，強(qiáng)度大，承載能力高。隨著鋼箱拱橋跨度的不斷增大，一般在設(shè)計(jì)中采用拱肋內(nèi)傾的方式增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在大跨度鋼箱拱的施工當(dāng)中，橫向穩(wěn)定性的控制尤為重要。

1.工程概況

南廣鐵路西江特大橋位于廣東省肇慶市，是鐵路南寧至肇慶東段的控制性工程，大橋全長618.3 m，橋跨布置為（41.2+486+49.1）m，主橋?yàn)橹谐惺戒撓涮峄@拱橋，矢跨比為1/4，主橋的計(jì)算跨徑為450m，拱肋內(nèi)傾角為4.8 °，橋面距拱頂71.7 m，拱腳處拱肋橫向中心距為34.0m，拱頂處為15.17m，為目前世界上最大跨度的高速鐵路拱橋，主橋兩端設(shè)置4個拱座。西江特大橋主橋布置圖如圖1所示。

2.計(jì)算模型

本文采用Midas-civil軟件建立三維有限元計(jì)算模型，拱肋、橫撐、斜撐均采用空間梁單元模擬，吊桿采用桁架單元模擬，橋面系采用板單元模擬，全橋劃分為60個桁架單元，884個梁單元，301個板單元，共計(jì)576個節(jié)點(diǎn)，邊界條件模擬為，拱腳固結(jié)，主梁端部采用彈性連接。有限元模型圖見圖2。

3.結(jié)構(gòu)分析

為了研究拱肋內(nèi)傾角變化對橋梁整體結(jié)構(gòu)帶來的影響，本文假設(shè)結(jié)構(gòu)的其他參數(shù)不變，僅僅改變拱肋傾角，分別取0 °、2 °、3 °、4.8 °、6 °建立5個模型，對這5個模型進(jìn)行有限元計(jì)算、對結(jié)構(gòu)在工況1～4下的靜力性能、穩(wěn)定性、極限承載力的研究。荷載及其組合為：永久作用包括一期恒載即結(jié)構(gòu)自重，二期恒載為壓力面荷載為21.9KN/m2;列車設(shè)計(jì)活載為ZK標(biāo)準(zhǔn)活載，按雙線布載;荷載組合為：工況1：恒載、工況2：恒載+活載。

3.1拱肋內(nèi)傾角對結(jié)構(gòu)靜力性能的影響

研究拱肋傾角的變化對拱肋和主梁的強(qiáng)度和剛度的影響。有限元分析表明，在工況1和2下全橋拱肋和主梁受力均勻，拱肋最大應(yīng)力發(fā)生在拱腳處，最大位移發(fā)生在拱頂處，主梁最大應(yīng)力和最大位移均發(fā)生在跨中處。

由表1可以看出在工況1和工況2作用下，拱肋傾角4.8 °時的拱肋最大應(yīng)力為最小。恒載以及活載對于拱肋的影響最小，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度達(dá)到最大。由表2可知，隨著拱肋傾角的增大，拱肋的豎向撓度呈下降趨勢，其中拱肋傾角在6 °時拱肋的豎向撓度達(dá)到最小。因而增大拱肋傾角可以提升提籃拱拱肋的整體剛度。

3.2拱肋內(nèi)傾角對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

為了探討拱肋傾角變化對提籃拱的穩(wěn)定性，本文考慮了工況1和工況2作用下的彈性穩(wěn)定。表3給出了結(jié)構(gòu)在兩種荷載工況作用下彈性穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果。圖3～4為工況2作用下結(jié)構(gòu)面外、面內(nèi)的屈曲模態(tài)。

表3拱肋內(nèi)傾對彈性穩(wěn)定系數(shù)的影響

從表3看出隨著拱肋傾角的不斷增大，面外和面內(nèi)的屈曲穩(wěn)定系數(shù)逐漸增大。不同拱肋傾角下列車活載對于橋梁結(jié)構(gòu)的屈曲系數(shù)的影響在9%～10%左右，對面外穩(wěn)定性的影響在9%左右，且對面外穩(wěn)定性的影響大于面內(nèi)穩(wěn)定性。拱肋傾角在4.80時活載對于結(jié)構(gòu)面外穩(wěn)定影響最大達(dá)到10.1%，拱肋傾角在0 °～6 °變化時活載對于面內(nèi)穩(wěn)定系數(shù)的影響較小，均在9%左右。

4.結(jié)束語

拱肋傾角在0 °～6 °變化區(qū)間內(nèi)，拱肋傾角在4.8 °時，結(jié)構(gòu)在恒載以及恒載+活載作用下的應(yīng)力水平最小。結(jié)構(gòu)在拱肋傾角為6 °時拱肋和主梁的豎向位移最小。綜上對于大跨度提籃拱應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)以及施工中應(yīng)當(dāng)控制拱肋傾角在4.8 °～6 °可以使結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度得到提升。

拱肋內(nèi)傾角的增加對結(jié)構(gòu)彈性穩(wěn)定的屈曲模態(tài)形式影響較小，對屈曲系數(shù)影響較大，列車活載對于面內(nèi)穩(wěn)定系數(shù)的影響較小。因而綜合結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性能得出400m級大跨度鋼箱提籃拱在拱肋傾角在4.80～60使結(jié)構(gòu)的綜合性能達(dá)到最優(yōu)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]曹正洲，馮玉濤，沈逢俊.大跨徑鋼箱提籃拱橋空間穩(wěn)定性分析[J].橋梁建設(shè)，2011（1）：43-47.

[2]張慶明，周罡.大跨徑提籃拱的拱肋側(cè)傾角對穩(wěn)定性影響的研究[J].橋梁建設(shè)，2007（4）：32-34.

[3]顏全勝，駱寧安.大跨度拱橋的非線性與穩(wěn)定分析[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003，28 （6）：64-68