六四式軍用梁鋼拱架有限元數值分析

汪捍東，陳正

(四川公路橋梁建設集團有限公司，四川 成都 610041)

砼箱形拱橋由于主拱圈截面以受壓為主，能充分發揮砼的抗壓性能，且具有降低工程造價、施工工藝成熟等優點，成為跨越溝谷的理想橋型之一。六四式鐵路軍用梁是中國自行研制的適用于中等跨度、標準軌距和1 m軌距的鐵路橋梁搶修制式器材，其主要構件分為標準三角(六四式鐵路軍用梁)與加強三角(加強型六四式鐵路軍用梁)，標準三角所有桿件均采用l6錳低合金鋼鋼材，加強三角除上弦和弦桿采用15錳釩氮低合金鋼鋼材加強外，其余桿件也均采用16錳低合金鋼鋼材。湖北省恩施州巴東縣野三關大橋主拱圈澆筑中，鋼拱架利用六四式軍用梁中標準三角和加強三角，通過特制T形連接構件及拱腳端三角進行連接，以折線形式擬合懸鏈線而拼裝成形。

1 工程簡介

野三關大橋全橋位于直線段上，全橋布跨為2×20 m簡支T梁+130 m鋼筋砼箱拱+20 m簡支T梁，總長204 m，交角為90°。主橋為上承式鋼筋砼箱形拱，主拱圈為等截面懸鏈線箱形無鉸拱，凈跨徑L0=130 m，凈矢高f0=32.5 m，凈矢跨比1/4；主拱圈計算跨徑L=131.896 m，計算矢高f=32.935 m，拱軸系數m=2.2。

鋼拱架采用六四式軍用梁拼裝，拱軸線依據該橋拱橋軸線參數擬定，線形為懸鏈線，L0=126.708 m，f0=30.266 m，凈矢跨比為S/L=0.239，m=2.2。

鋼拱架由標準三角或加強三角與特制T形連接板和拱腳端三角組裝而成。單榀鋼拱架由18片8 m鋼拱架、3片4 m鋼拱架、18片特制T形連接構件和2片特制拱腳端三角拼裝而成，標準三角之間或標準三角與T形連接構件均用六四式軍用梁鋼銷連接，標準三角與拱腳端三角采用六四式軍用梁撐桿鋼銷連接。全橋橫向布置34榀六四式軍用梁，拱架全寬10.12 m。拱圈、拱架平立面布置見圖1。

圖1 拱圈、拱架布置(單位：cm)

2 有限元模型

結構分析采用MIDAS/Civil有限元分析軟件，鋼拱架采用空間桿系模擬，拱圈腹板、頂板、橫隔板、底板采用板單元模擬，拉索及纜風索均采用桁架單元模擬。

2.1 模型荷載

模型荷載主要考慮自重、拱盔荷載、施工荷載、風荷載及溫度荷載。其中：自重由鋼材及砼的容重計算得到；考慮槽鋼和竹膠板(模板)等拱盔結構自重，每節點施加大小為0.112 kN的節點荷載；根據JTG/T F50-2011《公路橋涵施工技術規范》附錄D，考慮到施工人員和施工材料、機具行走運輸或堆放產生的荷載及振搗砼產生的荷載，施加一個4.5 kN/m2的均布荷載到拱圈底板面，通過拱圈底板傳遞給鋼拱架；根據JTG/T D60-2004《公路橋梁抗風設計規范》計算得到風荷載F=1.9 kN/m；溫度荷載按升降溫15 ℃考慮。

各施工階段的荷載組合為1.0自重+1.0施工荷載+1.0風荷載+1.0纜風索初拉力荷載。

PostCS階段(成橋階段)的荷載組合分為2種：1) 1.0恒荷載+1.0升溫；2) 1.0恒荷載+1.0降溫(其中自重、施工荷載、風荷載、纜風索初拉力荷載均為恒荷載)。

2.2 拱圈模型

考慮到該橋主拱圈采用分環分段進行施工，主拱圈采用板單元模擬，按照施工流程將模型分為9個節段CS22～CS30,分別為一環一段、一環二段、一環三段、二環一段、二環二段、二環三段、三環一段、三環二段、三環三段。主拱圈有限元模型見圖2。

圖2 主拱圈有限元模型

2.3 鋼拱架模型

鋼拱架采用纜索吊裝法組裝，先從拱腳S11～S13節段對稱吊裝拼裝，再安裝S14節段完成單榀拱架合龍，最后逐一安裝其余單榀拱架(見圖3)。

圖3 鋼拱架安裝順序示意圖

根據鋼拱架安裝方法，有限元模型共分為20個節段，各節段安裝的同時張拉扣索及纜風索。由于風荷載只在鋼拱架一側模擬，纜風索只在風荷載同側模擬，并賦予50 kN的初拉力。為確保數值分析的準確性，模型根據工程實際情況模擬出兩側交界墩及錨碇用于張拉背索。鋼拱架有限元模型見圖4。

圖4 鋼拱架有限元模型

3 數值分析

按照實際施工順序進行數值分析。模型共分20個施工節段，其中CS1～CS20節段為鋼拱架分節段拼裝，CS21節段為拆除扣索、背索，橫向連接施工、施加拱盔荷載，CS22～CS30施工節段為主拱圈砼分環分段澆筑。

3.1 CS1～CS20節段數值分析

對鋼拱架分節段拼裝進行數值分析，發現在鋼拱架分節段拼裝過程中應力較小。在CS20節段，結構出現最大應力，最大拉、壓應力分別為111、-104.6 MPa；在CS8和CS12節段，結構出現最大位移38.9 mm。對鋼拱架影響較小，在此不再贅述。

3.2 CS21～CS30節段數值分析

在拆除鋼拱架扣索及主拱圈分環分段澆筑(CS21～CS30節段)過程中，鋼拱架數值分析結果見表1和圖5、圖6，應力以受拉為正、受壓為負。

表1 CS21～CS30施工節段鋼拱架數值分析結果

圖5 CS21～CS30節段最大應力

圖6 CS21～CS30節段最大位移

由表1和圖5、圖6可知：在主拱圈分環分段澆筑過程中，鋼拱架的強度、剛度及穩定性均滿足施工要求。拱架最大拉應力為81.4～105.9 MPa，變化較小；壓應力由-103.5 MPa逐步遞增至-220.0 MPa，在澆筑主拱圈的過程中，特別是在CS24節段及以后，應實時關注以上弦桿為代表的受壓桿件，以防桿件受壓失穩。相對于CS21節段，CS22節段時拱腳受壓抬高拱頂致使變形位移減小，而CS23節段時拱頂受壓致使變形位移陡升，直到CS24節段鋼拱架變形才趨于穩定。在澆筑主拱圈尤其是一環一段和一環二段施工時，應注意拱架變形，保證主拱圈設計線形。

3.3 PostCS階段數值分析

依據JTG D64-2015《公路鋼結構橋梁設計規范》，PostCS階段考慮溫度荷載(升降溫15 ℃)的影響。該階段鋼拱架數值分析結果見表2。

表2 PostCS階段鋼拱架數值分析結果

PostCS階段主要考慮溫度荷載對鋼拱架的影響。由表2可知：在升溫作用下，鋼拱架最大拉、壓應力變化均不大；在降溫作用下，最大拉應力下降接近20 MPa；鋼拱架最大位移在溫度作用下均下降。說明溫度荷載對鋼拱架有一定影響，選擇合適的溫度合龍鋼拱架和主拱圈有利于結構受力。

4 結論

通過對鋼拱架安裝及主拱圈澆筑全過程的數值分析，得出以下結論：

(1) 利用六四式軍用梁拼裝鋼拱架以現澆主拱圈，鋼拱架設計能滿足規范規定的風荷載、施工荷載、溫度荷載、纜風索初拉力荷載及拱圈自重組合作用下的承載力要求。

(2) 合適的溫度會對結構受力產生有利影響，可進一步細分溫度荷載下數值分析結果，探究鋼拱架及拱圈合龍的最有利溫度。

(3) 鋼拱架若有部分應力超過設計值，可用加強三角代替標準三角，以增強鋼拱架的局部強度，同時提升工程經濟性。