鐵路單箱單室梁-拱組合橋梁拱結(jié)合處受力研究

劉忠平 朱俊樸

(1．中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031；2．中南大學(xué)土木工程學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410075)

鐵路單箱單室梁-拱組合橋梁拱結(jié)合處受力研究

劉忠平1朱俊樸2

(1．中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031；2．中南大學(xué)土木工程學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410075)

對(duì)于主梁采用單箱單室截面的鐵路梁-拱組合橋梁，目前對(duì)其梁拱結(jié)合部位的受力性能研究較少。文章以蘭渝鐵路廣元嘉陵江特大橋(82+172+82)m連續(xù)梁-拱組合橋?yàn)楣こ贪咐肕IDAS/Civil進(jìn)行了全橋整體計(jì)算和分析，確定了梁拱結(jié)合處在施工階段和運(yùn)營(yíng)階段中的最不利荷載工況。利用ANSYS建立了梁拱結(jié)合處的實(shí)體分析模型，研究了其在最不利荷載工況下的應(yīng)力分布規(guī)律和影響因素。研究表明，該橋最不利荷載工況下梁拱結(jié)合處整體受力較為合理，以縱向受壓為主，僅在支座處、拱腳和0號(hào)塊相接的角隅處有較大的應(yīng)力集中，局部拉應(yīng)力可達(dá)5.0 MPa。對(duì)于拉應(yīng)力較大區(qū)域，設(shè)計(jì)可考慮設(shè)置過(guò)渡段、局部加強(qiáng)配筋、調(diào)整預(yù)應(yīng)力束布置等措施來(lái)解決。

連續(xù)梁-拱組合橋； 梁拱結(jié)合處； 局部受力

梁拱結(jié)合部位是大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁-拱組合橋的關(guān)鍵部位，其受力性能將影響全橋承載能力，也影響梁拱組合橋的整體性[1]。對(duì)于連續(xù)梁-拱組合橋，其主梁中跨兩端與加勁拱肋在梁拱結(jié)合處有效地結(jié)合在一起，下設(shè)支座。梁拱結(jié)合處在豎向和縱向要承受支座的反力、連續(xù)梁的預(yù)應(yīng)力、系桿與拱肋傳來(lái)的彎矩與軸力[2-3]，在橫向要承受中支點(diǎn)橫隔梁的預(yù)應(yīng)力荷載及彎矩，因此該部位受力狀況十分復(fù)雜。對(duì)于公路梁-拱組合橋，其梁拱結(jié)合處的受力情況國(guó)內(nèi)學(xué)者已進(jìn)行了廣泛而深入的研究[4-7],但是目前對(duì)于總寬度較小、活載占比較大的鐵路梁-拱組合橋，其梁拱結(jié)合處的有關(guān)研究還較少，尤其是主梁采用單箱單室截面的該類橋，其梁拱結(jié)合處的研究成果幾乎沒有。

本文以蘭渝鐵路廣元嘉陵江特大橋?yàn)橐劳泄こ踢M(jìn)行研究，該橋主梁采用(82+172+82)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁-拱組合橋，單箱單室截面。研究采用兩步分析法[8-9]，運(yùn)用MIDAS/Civil空間有限元分析軟件建立了該橋的整體空間分析模型，確定了梁拱結(jié)合處在施工和運(yùn)營(yíng)中的最不利荷載工況，為梁拱結(jié)合處的局部有限元模型分析提取了邊界荷載。之后，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS建立梁拱結(jié)合處的精細(xì)有限元分析模型，結(jié)合整體空間模型的分析結(jié)果，研究梁拱結(jié)合處在施工和運(yùn)營(yíng)中最不利荷載工況下的應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律及其主要影響因素，評(píng)價(jià)其細(xì)部設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，并進(jìn)行了局部構(gòu)造措施優(yōu)化。

1 工程背景

蘭渝鐵路為新建時(shí)速200 km/h客貨共線鐵路，其中位于四川省廣元市附近的廣元嘉陵江特大橋?yàn)橹骺?82+172+82)m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁-鋼管混凝土拱組合橋，是蘭渝鐵路廣元至重慶段的控制性橋梁工程。廣元嘉陵江雙線特大橋主橋總布置如圖1所示。

圖1 廣元嘉陵江雙線特大橋總布置圖(m)

為降低主梁截面橫向內(nèi)力，一般情況下，連續(xù)梁-拱組合橋的主梁多采用單箱雙室截面，但由于單箱雙室主梁與拱肋間存在受力不協(xié)調(diào)問題，故廣元嘉陵江雙線特大橋主梁采用單箱單室截面，以保證其主梁與拱肋間傳力的順暢和均勻。梁拱結(jié)合處縱向長(zhǎng)度為26 m，橋面寬度13 m，橫向加厚部分寬1.6 m，橫梁厚4.2 m，拱座長(zhǎng)12.8 m，高5.51 m，其梁拱結(jié)合處結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。

圖2 廣元嘉陵江特大橋梁拱結(jié)合處結(jié)構(gòu)及尺寸(cm)

2 計(jì)算模型與計(jì)算參數(shù)

本文采用兩步分析法，首先基于MIDAS/Civil空間有限元分析軟件建立全橋空間模型，然后在全橋有限元模型中提取局部有限元模型截?cái)嗝嬖谑┕ず瓦\(yùn)營(yíng)中最不利荷載工況下的內(nèi)力值，在局部有限元模型上等效加載邊界力和位移邊界條件。全橋混凝土標(biāo)號(hào)C55，鋼材標(biāo)號(hào)Q345。在建立全橋模型時(shí)，主梁、拱助及風(fēng)撐用梁?jiǎn)卧M，吊桿用桁架單元模擬。全橋共劃分為330個(gè)梁?jiǎn)卧?0個(gè)桁架單元，346個(gè)節(jié)點(diǎn)。全橋模型如圖3所示。在有限元分析計(jì)算時(shí)，對(duì)全橋施工階段結(jié)構(gòu)自重和預(yù)應(yīng)力荷載通過(guò)在結(jié)構(gòu)組的激活來(lái)實(shí)現(xiàn)，施工過(guò)程中的掛籃、吊籃和臨時(shí)施工荷載通過(guò)荷載組的激活和鈍化來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖3 全橋計(jì)算有限元模型圖

全橋模型建立之后，再運(yùn)用大型通用有限元軟件ANSYS，建立梁拱結(jié)合處的精細(xì)有限元空間模型。局部模型的建立基于圣維南原理[10]，假定以泊松比和彈性模量表示結(jié)構(gòu)的材料特性，將結(jié)構(gòu)視為均質(zhì)彈性體，不考慮結(jié)構(gòu)及材料的非線性[11]。不考慮混凝土與預(yù)應(yīng)力筋間的滑移效應(yīng)，但考慮了預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的損失。以主梁0號(hào)、1號(hào)、2號(hào)節(jié)段共延伸長(zhǎng)度26 m，拱肋伸出拱座混凝土截面2.55 m的范圍為局部有限元模型的分析對(duì)象。采用solid45單元模擬，結(jié)合部位結(jié)構(gòu)離散后的局部模型包括109 504個(gè)節(jié)點(diǎn)，534 244個(gè)單元。在截?cái)嗝嫔嫌玫刃Ш奢d法對(duì)局部模型施加邊界力，通過(guò)在單元上施加體荷載的方式施加預(yù)應(yīng)力荷載，在ANSYS程序中設(shè)了預(yù)應(yīng)力鋼筋單元網(wǎng)格與實(shí)體網(wǎng)格劃分的耦合，考慮預(yù)應(yīng)力的損失[12-13]。建立的ANSYS模型如圖4所示。

圖4 局部計(jì)算有限元模型圖

梁體C55混凝土容重為26.5 kN/m3，鋼材容重為78.5 kN/m3，拱肋鋼管內(nèi)混凝土容重為23.5 kN/m3，二期恒載按181 kN/m考慮。基礎(chǔ)不均勻沉降考慮相鄰兩支點(diǎn)均勻沉降之差≤2.0 cm。橋上鋪設(shè)雙線有砟軌道，計(jì)算活載采用中-活載，施加雙線活載，折減0.9，沖擊系數(shù)取1.064。列車橫向搖擺力按主力計(jì)，其值為100 kN，制動(dòng)力或牽引力按全聯(lián)連續(xù)梁滿載時(shí)豎向靜活載的10%計(jì)。風(fēng)力按TB 1002.1-2005《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》規(guī)定計(jì)算[14]。

3 施工和運(yùn)營(yíng)中的最不利荷載工況

通過(guò)對(duì)梁拱結(jié)合處(0號(hào)梁段)主梁截面在各施工階段的應(yīng)力分析結(jié)果，確定施工過(guò)程中的最不利荷載工況。在各施工階段中，梁拱結(jié)合處主梁截面的頂板和底板應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 梁拱結(jié)合處主梁截面的頂板和底板應(yīng)力計(jì)算值

16號(hào)梁段預(yù)應(yīng)力鋼束張拉前，梁拱結(jié)合處主梁截面頂板應(yīng)力出現(xiàn)最大值，中跨合龍段預(yù)應(yīng)力鋼束張拉后，主梁截面底板應(yīng)力出現(xiàn)最大值，它們均為主梁懸臂施工階段的最不利荷載工況。為和運(yùn)營(yíng)階段進(jìn)行比較，也將施加二期恒載后施工階段做為局部分析荷載工況。在運(yùn)營(yíng)階段下，分別分析了主力包絡(luò)和主力+附加力包絡(luò)2種荷載工況，對(duì)應(yīng)分別設(shè)為運(yùn)營(yíng)階段梁拱結(jié)合處局部分析的荷載工況。

通過(guò)計(jì)算靜力荷載工況，求得梁拱結(jié)合處截?cái)嗝娴膬?nèi)力值，等效施加在ANSYS模型斷面上。從整體有限元模型中，將上述幾種工況下提取的構(gòu)件截?cái)嗝嫖恢脙?nèi)力互相疊加后，即得到局部有限元模型中各構(gòu)件截?cái)嗝嫔蠎?yīng)施加的內(nèi)力，如表1所示。局部模型加載示意如圖6所示。

圖6 局部模型加載示意圖

4 梁拱結(jié)合處的力學(xué)性能分析

結(jié)合選取的施工和運(yùn)營(yíng)中的最不利荷載工況和梁拱結(jié)合處局部模型的等效邊界力，對(duì)比各工況下局部模型的等效邊界力，將5種荷載工況分為施工階段和運(yùn)營(yíng)階段分別進(jìn)行分析。

表1 梁拱結(jié)合處有限元模型的等效邊界力

4.1 施工階段應(yīng)力分析

ANSYS計(jì)算得到的施工階段的3種工況主拉應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖7 施工階段梁拱結(jié)合處應(yīng)力云圖(Pa)

施工階段的3種荷載工況下，梁拱結(jié)合處絕大部分區(qū)域應(yīng)力為負(fù)值，混凝土主要處于受壓應(yīng)力狀態(tài)，大部分區(qū)域的混凝土壓應(yīng)力小于13.2 MPa。由于約束作用的存在，支座處產(chǎn)生應(yīng)力集中，支座周圍最大壓應(yīng)力達(dá)16.8 MPa。同樣，因應(yīng)力集中引起支座周圍局部拉應(yīng)力達(dá)4.0 MPa，為結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力最大部位。拱座與主梁0號(hào)塊相接角隅處由于構(gòu)造原因?qū)е戮植繎?yīng)力集中，出現(xiàn)了較大拉應(yīng)力，為3.0 MPa。0號(hào)塊處于負(fù)彎矩區(qū)，其上緣出現(xiàn)了一定程度的拉應(yīng)力，一般小于1.5 MPa。

對(duì)于鋼管混凝土與拱腳的結(jié)合部位，鋼管內(nèi)混凝土由于外圍鋼管的套箍作用，處于三向受壓狀態(tài)，受力均勻且壓應(yīng)力還有一定儲(chǔ)備。在拱腳與拱肋交接處由于應(yīng)力集中原因出現(xiàn)了一定的拉應(yīng)力，但均未超出材料容許應(yīng)力值。

4.2 運(yùn)營(yíng)階段應(yīng)力分析

ANSYS計(jì)算得到的運(yùn)營(yíng)階段的2種工況主拉應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)力云圖如圖8所示。

圖8 運(yùn)營(yíng)階段梁拱結(jié)合處應(yīng)力云圖(Pa)

運(yùn)營(yíng)階段梁拱結(jié)合處絕大部分區(qū)域混凝土仍處于壓應(yīng)力狀態(tài)。在支座附近、結(jié)構(gòu)構(gòu)造突出部因應(yīng)力集中導(dǎo)致了有較大的拉應(yīng)力，其中支座處局部最大拉應(yīng)力達(dá)5.0 MPa，拱座和0號(hào)塊相接的角隅處和對(duì)應(yīng)的翼緣根部腹板變厚段角隅處應(yīng)力集中效應(yīng)明顯，但是這些區(qū)域所占比重較小。0號(hào)塊上緣處于負(fù)彎矩受拉區(qū)，拉應(yīng)力整體分布比較均勻，在1.8 MPa以下。由于拱對(duì)0號(hào)塊的壓力作用，拱腳處的拉應(yīng)力明顯小于0號(hào)塊上緣。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)施工階段和運(yùn)營(yíng)階段最不利荷載工況下，梁拱結(jié)合處的混凝土主要處于受壓應(yīng)力狀態(tài)，因支座約束作用導(dǎo)致其周圍產(chǎn)生了應(yīng)力集中，計(jì)算的最大壓應(yīng)力和拉應(yīng)力均位于該處，橋梁設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注支座周圍混凝土的受力性能。

(2)拱座和0號(hào)塊相接的角隅處，由于構(gòu)造原因也出現(xiàn)了一定的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(3)鐵路單箱單室梁-拱組合橋梁拱結(jié)合處的混凝土整體受力較為合理，該部位處的主梁、拱座和拱肋截面應(yīng)力分布較均勻。

(4)支座周圍容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)該注意加強(qiáng)此處鋼筋網(wǎng)的布置；對(duì)于拱腳與梁0號(hào)塊相接的角隅處出現(xiàn)的拉應(yīng)力，建議在拱座與拱肋交接處，拱座與0號(hào)段梁體的交接處設(shè)置一定的混凝土過(guò)渡段，并在過(guò)渡段設(shè)置局部加強(qiáng)鋼筋，減少結(jié)構(gòu)角隅處的應(yīng)力集中。

(5)在頂板、底板、腹板、橫隔板及拱助互相交匯區(qū)域等剛度變化較大的部位，盡量將結(jié)構(gòu)倒角和轉(zhuǎn)折處做得圓順平滑，避免尖角出現(xiàn)，可以使應(yīng)力集中現(xiàn)象得以緩和，以改善受力性能。

[1] 孫九春,朱艷,吳沖,等. ANSYS軟件在提籃拱橋錨下局部應(yīng)力分析中的應(yīng)用[J]. 華東公路,2005,28(6):21-23. SUN Jiuchun, ZHU Yan, WU Chong, et al. Application of ANSYS software in local Stress analysis under X-type arch bBridge anchor [J]. East China Highway， 2005,28(6):21-23.

[2] 彭桂瀚,陳寶春,孫潮.下承式鋼管混凝土剛架系桿拱橋拱腳有限元應(yīng)力分析[J]. 福州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,35(1): 85-88. PENG Guihan, CHEN Baochun, SUN Chao. FEM stress analysis of springing joint for CFST and rigid frame tied through arch bridge[J]. Journal of Fuzhou University (Natural Science Edition),2007,35 (1): 85-88.

[3] 周冬.鐵路連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2011. ZHOU Dong. Key technology research on composite structure design of railway continuous beam arch [D]. Changsha : Central South University, 2011．

[4] 陳佳德.大跨度連續(xù)梁拱組合橋拱腳局部受力分析[D]. 蘭州:蘭州交通大學(xué),2013. CHEN Jiade. Local stress study for arch springing of large span continuous beam-arch composite bridge[D]. Lanzhou :Lanzhou Jiaotong University, 2013．

[5] 李子特.連續(xù)梁拱組合橋梁一拱結(jié)合部位的力學(xué)性能研究[D]. 蘭州:蘭州交通大學(xué),2012. LI Zite.Research on mechanical properties of continuous beam arch combination bridge[D].Lanzhou:Lanzhou Jiaotong University,2012.

[6] 葉梅新,李一可.下承式鋼箱系桿拱橋拱腳局部受力分析[J].西部探礦工程，2007,19(7):165-169. YE Meixin, LI Yike. Analysis on local stress of springing of steel box tied arch bridge [J]. West-China Exploration Engineering,2007,19(7): 165-169.

[7] 葉梅新,王鋒,屈志鋒.大跨徑勁性骨架鋼筋混凝土拱橋拱腳、拱座局部應(yīng)力分析[J]. 中國(guó)西部科技,2008,7(1):4-5. YE Meixin, WANG Feng, QU Zhifeng. Local stress analysis of arch-foot and skewback of large span SRC arch bridge[J]. Science and Technology of West China, 2008 ,7(1):4-5.

[8] 姚君芳.永修剛架系桿拱橋動(dòng)靜力特性研究及剛結(jié)點(diǎn)局部應(yīng)力分析[D]. 長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2009. YAO Junfang. Research on dynamic-static characteristics of Yongxiu rigid frame tied arch bridge and analysis on rigid joint Local Stress [D]. Changsha: Central South University, 2009．

[9] 歐陽(yáng)輝來(lái),張萬(wàn)華.新開河大橋拱腳設(shè)計(jì)及局部應(yīng)力分析[J].世界橋梁,2009,37(3):33-35. OUYANG Huilai, ZHANG Wanhua. Design and local stress analysis of arch springs of Xinkai river bridge [J]. World Bridges,2009,37(3): 33-35.

[10]龔俊虎.大跨度V形墩連續(xù)剛構(gòu)與拱組合橋受力特性研究[D].成都:西南交通大學(xué),2009. GONG Junhu. Study on stress characteristics of the large span V-type pier continuous rigid frame and arch composite bridge [D].Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2009．

[11]董華縣.大跨鐵路連續(xù)梁拱組合橋梁空間受力性能分析[D]. 長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2009. DONG Huaxian. Analysis on spatial stress performance of the railway continuous beam arch composite bridge [D]. Changsha: Central South University, 2009．

[12]趙訓(xùn)剛.中承式鋼箱混凝土連續(xù)梁拱組合橋拱梁結(jié)合部模型試驗(yàn)與數(shù)值分析研究[D]. 成都:西南交通大學(xué),2011. ZHAO Xungang. Test and numerical analysis for arch-beam joint of half-through continuous beam-arch combination bridge with concrete filled steel box arch-ribs [D]. Chengdu:Southwest Jiaotong University, 2011.

[13]TB 10002.1-2005 鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S]. TB 10002.1-2005 Code for design of railway bridges and culverts[S].

Study on the Stress of Beam Arch Combination of Railway Beam and Arch Combination Bridge with Single Box Single Room Section

LIU Zhongping1ZHU Junpu2

(1.China Railway Eryuan Engineering Croup Co.,Ltd., Chengdu 610031,China；2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075,China)

The railway beam and arch combination bridge is studied seldom on the stress performance of the beam arch combination that its main beam is single box single room section. Taken a continuous beam and arch bridge with spans (82+172+82) m on Lanzhou-Chongqing railway as an engineering example, MIDAS/Civil was used to calculate and analyze the whole bridge, the local stress calculation load of the beam arch combination in the construction stage and operation stage was determined. The solid model of the beam arch combination is established with ANSYS, and the stress distribution law and the influencing factors under the most unfavorable load are studied. Studies show that the beam arch combination as integrated force is more reasonable under the most unfavorable load conditions, dominated by longitudinal compression and has the larger stress concentration only in support, arch feet and block connected with the corner, local tensile stress 5.0mpa.For the larger tensile stress region, the design can be solved by setting the transition section, reinforcing the local reinforcement, adjusting the layout of prestressed steel.

Continuous beam and arch bridge; Beam arch combination; Local stress

2015-09-24

劉忠平(1982-)，男，高級(jí)工程師。

1674—8247(2016)04—0060—06

U448.21+6

A