鐵路大跨度鋼管混凝土系桿拱橋設計計算

王淑敏（鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁處，天津　300142）

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鐵路大跨度鋼管混凝土系桿拱橋設計計算

王淑敏
（鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁處，天津300142）

摘要以某鐵路大跨度鋼管混凝土拱橋為工程背景，在詳述該結構構造形式及結構尺寸的基礎上，利用有限元程序對系梁、拱肋、吊桿等結構關鍵部位及結構整體進行了受力及變形分析，以期驗證結構形式和結構尺寸的合理性。通過計算分析驗證了該橋結構設計合理，受力變形滿足規范要求。同時也可為類似橋梁設計提供參考。

關鍵詞鋼管混凝土；系桿拱；有限元；動力特性

1　工程概況

某鐵路橋主橋上部結構采用1-95. 7 m鋼管混凝土系桿拱，全長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。橋面縱坡通過拱肋與系梁剛性旋轉實現，系梁統一采用坡度- 0. 98‰的縱坡，保證兩側梁端和梁頂的標高不變，調整其余部位系梁梁頂道砟厚度，以滿足線路縱坡要求。吊桿垂直梁面布置。拱橋立面圖如圖1所示。

圖1　95. 7 m鋼管混凝土簡支拱橋立面（單位：cm）

2　系桿拱結構構造

1）拱肋

系桿拱全長98 m，計算跨度為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，拱管內灌注C50補償收縮混凝土。

2）橫撐

拱肋之間設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17對吊桿，吊桿縱向垂直梁面布置，在橫向內傾8°。

4）系梁

系梁采用單箱三室預應力混凝土箱形截面，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，梁部斷面圖見圖2。混凝土等級為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計算，按照規范及設計標準進行動靜荷載加載，列車荷載采用中-活載。主橋采用梁單元建立模型進行分析。

采用梁單元建模時，對于系梁、拱肋及橫撐的各桿件采用三維梁單元進行模擬，其截面特性按照實際設計截面定義。拱軸線為二次拋物線，拱肋采用啞鈴形截面，鋼管和腹桿內均填充混凝土（為等截面），采用“雙單元、共節點”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　全橋計算分析

4. 1系梁強度和應力

4. 1. 1正應力

最不利荷載工況下各截面正應力見圖4和圖5（正號表示拉應力，負號表示壓應力，下同）。

4. 1. 2主拉應力和主壓應力

最不利荷載工況下各截面主拉應力和主壓應力見圖6。

圖4　最不利荷載組合下梁部截面上緣應力

圖5　最不利荷載組合下梁部截面下緣應力

圖6　最不利荷載組合下梁部截面主應力

4. 1. 3抗裂性檢算

梁部控制截面抗裂性檢算結果見表1。可見，抗裂安全系數K＞1. 2。

4. 1. 4剪應力

運營荷載作用下，梁部各截面剪應力見圖7。

表1　梁部控制截面抗裂性檢算結果

圖7　運營荷載作用下梁部截面剪應力

4. 2拱肋應力

最不利荷載組合下拱肋鋼管及混凝土的最大正應力見表2。

表2　拱肋截面最大正應力計算結果　MPa

4. 3吊桿

各荷載組合下吊桿應力計算結果如表3所示。

表3　吊桿應力組合計算結果　MPa

4. 4全橋動力特性分析

根據三維有限元模型，對全橋進行了動力特性分析，分析結果：

橫向一階模態，自振周期0. 700 s，頻率1. 429 Hz。

豎向一階模態，自振周期0. 143 s，頻率6. 996 Hz。

扭轉一階模態，自振周期0. 350 s，頻率2. 861 Hz。

4. 5拱肋穩定分析

4. 5. 1拱肋面內的穩定性

拱肋面內的穩定性按承受最大水平推力的中心受壓桿件進行檢算。經檢算拱肋面內穩定安全系數計算值為6. 30＞5，滿足規范要求。

4. 5. 2拱肋面外的穩定性

計算時，模型考慮活載效應，屈曲模態見表4及圖8。

表4　拱肋面外穩定性計算結果

圖8　屈曲模態五透視圖（豎向及橫向側傾）

5　結語

本文以某鐵路大跨度鋼管混凝土系桿拱橋為研究對象，以三維有限元為研究方法，建立了該橋全橋有限元模型，并在此基礎上對主梁、拱肋、吊桿等結構關鍵部位及全橋進行了應力、變形、動力特性及穩定性檢算。結構各項指標均滿足規范要求，既驗證了結構設計的合理性，又可為同類鐵路大跨度鋼管混凝土拱橋的設計與研究提供借鑒。

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（責任審編孟慶伶）

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U448. 22+5

文獻標識碼A

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

文章編號：1003-1995（2016）06-0019-04

收稿日期：2016-01-22；修回日期：2016-03-28

作者簡介：王淑敏（1972—），女，高級工程師。