雙線系桿拱橋?qū)Σ煌熊嚭奢d的適應(yīng)性分析

李桂林,文望青

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063；2.中鐵建大橋設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430063)

2005年以來(lái)，按照國(guó)務(wù)院“加快我國(guó)鐵路運(yùn)輸裝備現(xiàn)代化”的戰(zhàn)略方針，我國(guó)鐵路貨運(yùn)機(jī)車和車輛技術(shù)得到迅速發(fā)展。2010年2月，根據(jù)鐵路機(jī)車車輛裝備技術(shù)發(fā)展和重載運(yùn)輸?shù)男枨?，我?guó)鐵路啟動(dòng)了《鐵路主要技術(shù)政策》的修編工作，對(duì)于高速鐵路、城際鐵路、客貨共線鐵路和重載鐵路分別規(guī)定了相應(yīng)的列車荷載圖示[1-2]，用于新建鐵路線路基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)。

系桿拱橋具有施工方便、施工周期短、結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，且梁高相對(duì)較小，能有效降低建筑高度，減少全橋墩高及引橋長(zhǎng)度，在鐵路橋梁設(shè)計(jì)建設(shè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。系桿拱橋是鐵路橋梁工程中跨度為80～140 m的重要應(yīng)用結(jié)構(gòu)之一，分析其對(duì)不同列車荷載的適應(yīng)性具有重要意義。本文以一座跨度為128 m 的鐵路雙線系桿拱橋?yàn)槔?，建立有限元分析模型，分析主梁、拱肋等的?yīng)力、強(qiáng)度、抗裂性、穩(wěn)定性和變形，并探討其適應(yīng)性，為今后類似工程提供指導(dǎo)性意見(jiàn)。

1 系桿拱結(jié)構(gòu)形式

一鐵路系桿拱橋主梁全長(zhǎng)130.4 m，計(jì)算跨度128 m，矢跨比為1/5，拱肋平面內(nèi)矢高25.6 m，拱肋采用懸鏈線線形。懸鏈線方程為y=73.775 2(ch 0.810 68ξ-1)，ξ=2x/L=x/64，x為拱頂至計(jì)算點(diǎn)處的距離，L為計(jì)算跨度。系桿拱平面和立面見(jiàn)圖1，橫斷面布置及拱肋截面見(jiàn)圖2。

圖1 系桿拱平面和立面(單位：cm)

圖2 系桿拱橫斷面布置及拱肋截面(單位：cm)

系梁按整體箱形梁設(shè)計(jì)，采用單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面，橋面箱寬16.6 m，梁高2.5 m。底板厚0.3 m，頂板厚0.3 m，邊腹板厚0.35 m，中腹板厚0.3 m。底板在3.0 m范圍內(nèi)上抬0.5 m。吊點(diǎn)處設(shè)橫梁，橫梁厚0.4～0.6 m。系梁縱向設(shè)70束15-7φ5預(yù)應(yīng)力筋，橫向8 m范圍內(nèi)底板設(shè)8束3-7φ5的橫向預(yù)應(yīng)力筋，每個(gè)橫隔板設(shè)4束9-7φ5橫向預(yù)應(yīng)力筋。系梁兩端底板上設(shè)進(jìn)人孔，每個(gè)箱室均設(shè)檢查孔。底板上設(shè)截水槽、泄水孔，邊腹板與中腹板上設(shè)通氣孔。

拱腳順橋向8 m范圍內(nèi)為實(shí)體段，截面漸變處設(shè)倒角或過(guò)渡段。實(shí)體段內(nèi)設(shè)12-7φ5的橫向預(yù)應(yīng)力筋，分上下2排布置分批張拉完成。拱腳混凝土分2次現(xiàn)澆，在第1次現(xiàn)澆混凝土前，將拱肋鋼管、加勁鋼材等安放到位，二期恒載施工完成后第2次澆筑混凝土。

吊桿布置采用尼爾森體系，吊桿水平夾角為52.281°～71.160°。吊桿間距8 m，兩交叉吊桿之間橫向中心距0.34 m。吊桿均采用127根φ7高強(qiáng)低松弛鍍鋅平行鋼絲束，冷鑄鐓頭錨，索體采用PES(FD)低應(yīng)力防腐索體，外包不銹鋼防護(hù)。吊桿與主梁錨固設(shè)置于系梁箱梁內(nèi)，吊桿張拉端設(shè)置于拱肋端。

兩拱肋之間共設(shè)5道橫撐，橫撐由φ600，φ500和φ360 mm圓形鋼管組成，鋼管內(nèi)不填混凝土，其外表面作防腐處理，內(nèi)表面作除銹處理。

2 不同列車荷載組合工況分析

采用橋梁博士軟件建立有限元模型，分析系桿拱橋在不同列車荷載荷載作用下的受力及變形特性。

2.1 結(jié)構(gòu)剛度檢算

不考慮沖擊系數(shù)，系梁豎向位移及拱肋豎向位移計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3?？芍?，拱肋及系梁最大垂直位移均發(fā)生在L/4、3L/4附近。在ZK,ZC,ZKH,ZH(Z=1.3)列車荷載作用下，拱肋位移分別為系梁位移的65%,70%,62%,63%。

圖3 豎向位移計(jì)算結(jié)果

不同荷載工況下系梁變形及轉(zhuǎn)角引起鋼軌上撥和下壓量見(jiàn)表1?？芍孩僭赯C列車荷載作用下?lián)峡绫葹?/9 309，在ZH(Z=1.3)荷載作用下?lián)峡绫葹?/5 104。350 km/h高速鐵路橋梁跨度大于80 m時(shí)的限值為L(zhǎng)/1 500(L為跨度)，說(shuō)明系桿拱具有良好的剛度。②在ZK,ZC列車荷載作用下梁端轉(zhuǎn)角均小于1‰，且均滿足采用無(wú)砟軌道形式時(shí)梁端轉(zhuǎn)角按引起鋼軌上撥和下壓量小于1 mm控制[3]的要求。③對(duì)于ZKH,ZH(Z=1.3)荷載工況，軌道結(jié)構(gòu)類型采用有砟軌道，對(duì)轉(zhuǎn)角引起鋼軌上撥和下壓量無(wú)規(guī)定，其梁端轉(zhuǎn)角均滿足3‰的限值要求。因此，該跨度雙線系桿拱橋應(yīng)用于高速鐵路、城際鐵路、客貨共線鐵路和重載鐵路時(shí)，具有良好的適應(yīng)性。

表1 系梁變形及轉(zhuǎn)角引起鋼軌上撥和下壓量

系桿拱橋采用支架現(xiàn)澆形式施工，拱肋為鋼管混凝土形式，鋼管對(duì)管內(nèi)混凝土存在套箍效應(yīng)，收縮徐變變形發(fā)展不明顯，總工后徐變較小。本文中系桿拱線路鋪設(shè)后，主梁殘余變形計(jì)算值僅為1.4 mm。

2.2 拱肋鋼管及混凝土檢算

表2 拱肋鋼管應(yīng)力 MPa

由表2—表5可知，在4種荷載工況下，拱肋鋼管及混凝土應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，并有一定富余。拱肋強(qiáng)度安全系數(shù)在ZH(Z=1.3)列車荷載作用下，主力工況超規(guī)范限值2.2，超限部位在拱肋與拱腳連接位置8 m范圍內(nèi)。因其范圍較小可采用區(qū)域局部增加拱肋鋼管厚度的方式進(jìn)行加強(qiáng)[11-12]。拱肋橫向穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足4.0的限值要求。

表3 主力工況拱肋鋼管混凝土應(yīng)力 MPa

表4 主力+附加力工況鋼管混凝土應(yīng)力 MPa

表5 拱肋最小強(qiáng)度及穩(wěn)定安全系數(shù)

2.3 系梁檢算

在ZK,ZC,ZKH,ZH(Z=1.3)列車荷載作用下，主力+附加力工況系梁截面應(yīng)力見(jiàn)圖4?？芍?，不同荷載工況下，最大應(yīng)力相差較小，最小應(yīng)力差別較大。由圖4(b)可知，拱腳區(qū)域上緣出現(xiàn)局部拉應(yīng)力(均小于0.3 MPa)。采用增加預(yù)應(yīng)力鋼束的方式，改善效應(yīng)不明顯，宜適當(dāng)增加縱向普通鋼筋。其他區(qū)域壓應(yīng)力儲(chǔ)備均達(dá)1 MPa以上。

圖4 主力+附加力工況系梁截面應(yīng)力

系梁強(qiáng)度及抗裂安全系數(shù)見(jiàn)表6?？芍?，在ZK,ZC列車荷載作用下，主梁截面強(qiáng)度及抗裂安全系數(shù)富余均較大，可適當(dāng)減少系梁預(yù)應(yīng)力鋼束的根數(shù)及束數(shù)。

表6 系梁強(qiáng)度及抗裂安全系數(shù)

在ZKH及ZH(Z=1.3)列車荷載作用下，系梁強(qiáng)度及抗裂安全系數(shù)均較為合理。

2.4 吊桿檢算

吊桿應(yīng)力、安全系數(shù)、疲勞應(yīng)力幅檢算結(jié)果見(jiàn)表7。可知，在ZK,ZC,ZKH,ZH(Z=1.3)列車荷載作用下，吊桿安全系數(shù)均滿足規(guī)范限值3.0的要求，且疲勞應(yīng)力幅均小于150 MPa限值。在ZK,ZC列車荷載作用下，吊桿安全系數(shù)及疲勞應(yīng)力幅均有一定富余，可適當(dāng)優(yōu)化調(diào)整吊桿規(guī)格。在ZKH,ZH(Z=1.3)列車荷載作用下，吊桿安全系數(shù)及疲勞應(yīng)力幅富余較為合理。

表7 吊桿應(yīng)力、安全系數(shù)、疲勞應(yīng)力幅檢算結(jié)果

2.5 經(jīng)濟(jì)性分析

雙線系桿拱主要材料用量見(jiàn)表8。可知：在ZC,ZK列車荷載作用下，可適當(dāng)減少系梁鋼絞線用量；在ZH(Z=1.3)列車荷載作用下，靠近拱腳區(qū)域8 m范圍內(nèi)拱肋鋼管厚度增至32 mm，對(duì)總拱肋鋼管用量影響較小，增幅為2.8%。

表8 主要材料用量

3 結(jié)論

1)系桿拱橋表現(xiàn)出良好的剛度，撓跨比均遠(yuǎn)大于1/1 500，在ZK,ZC荷載作用下梁端轉(zhuǎn)角小于1‰，且梁端轉(zhuǎn)角引起的鋼軌上撥和下壓量小于1 mm，滿足應(yīng)用于無(wú)砟軌道時(shí)梁端變形要求。在ZKH,ZH(Z=1.3)列車荷載作用下均滿足有砟軌道梁端轉(zhuǎn)角限值要求。該跨度雙線系桿拱橋應(yīng)用于高速鐵路、城際鐵路、客貨共線鐵路和重載鐵路時(shí)，其變形具有良好的適應(yīng)性。

2)系桿拱控制因素為拱肋結(jié)構(gòu)受力及拱肋橫向穩(wěn)定性。在ZK,ZC,ZKH,ZH(Z=1.3)列車荷載作用下，拱肋鋼管及混凝土應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，并有一定富余。各荷載工況下拱肋橫向穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足4.0的限值要求。在ZH(Z=1.3)列車荷載作用下，為滿足拱肋強(qiáng)度安全系數(shù)要求，拱肋與拱腳連接位置8 m 范圍內(nèi)區(qū)域應(yīng)采用增加拱肋鋼管厚度方式進(jìn)行加強(qiáng)。

3)在ZK,ZC列車荷載作用下，主梁截面強(qiáng)度及抗裂安全系數(shù)富余均較大，可適當(dāng)減少系梁預(yù)應(yīng)力鋼束的根數(shù)及束數(shù)。在ZKH及ZH(Z=1.3)列車荷載作用下，系梁強(qiáng)度及抗裂安全系數(shù)較為合理。

4)從建筑高度、結(jié)構(gòu)剛度、后期徐變變形、受力狀態(tài)、經(jīng)濟(jì)性等方面考慮，系桿拱均表現(xiàn)出良好的性能，對(duì)不同列車荷載適應(yīng)性強(qiáng)，表明其在跨度為80～140 m的鐵路橋梁應(yīng)用中有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。