王淑敏（鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)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(shè)計計算

王淑敏
（鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)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(jié)構(gòu)構(gòu)造形式及結(jié)構(gòu)尺寸的基礎(chǔ)上，利用有限元程序?qū)ο盗?、拱肋、吊桿等結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位及結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行了受力及變形分析，以期驗證結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)尺寸的合理性。通過計算分析驗證了該橋結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，受力變形滿足規(guī)范要求。同時也可為類似橋梁設(shè)計提供參考。

關(guān)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)實現(xiàn)，系梁統(tǒng)一采用坡度- 0. 98‰的縱坡，保證兩側(cè)梁端和梁頂?shù)臉?biāo)高不變，調(diào)整其余部位系梁梁頂?shù)理暮穸龋詽M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(jié)構(gòu)構(gòu)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(nèi)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(nèi)灌注C50補(bǔ)償收縮混凝土。

2）橫撐

拱肋之間設(shè)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(nèi)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(shè)17對吊桿，吊桿縱向垂直梁面布置，在橫向內(nèi)傾8°。

4）系梁

系梁采用單箱三室預(yù)應(yīng)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?；炷恋燃墳镃50。

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(guī)范及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(jìn)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(jìn)行模擬，其截面特性按照實際設(shè)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(nèi)均填充混凝土（為等截面），采用“雙單元、共節(jié)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(qiáng)度和應(yīng)力

4. 1. 1正應(yīng)力

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

4. 1. 2主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力

最不利荷載工況下各截面主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力見圖6。

圖4　最不利荷載組合下梁部截面上緣應(yīng)力

圖5　最不利荷載組合下梁部截面下緣應(yīng)力

圖6　最不利荷載組合下梁部截面主應(yīng)力

4. 1. 3抗裂性檢算

梁部控制截面抗裂性檢算結(jié)果見表1?？梢?，抗裂安全系數(shù)K＞1. 2。

4. 1. 4剪應(yīng)力

運營荷載作用下，梁部各截面剪應(yīng)力見圖7。

表1　梁部控制截面抗裂性檢算結(jié)果

圖7　運營荷載作用下梁部截面剪應(yīng)力

4. 2拱肋應(yīng)力

最不利荷載組合下拱肋鋼管及混凝土的最大正應(yīng)力見表2。

表2　拱肋截面最大正應(yīng)力計算結(jié)果　MPa

4. 3吊桿

各荷載組合下吊桿應(yīng)力計算結(jié)果如表3所示。

表3　吊桿應(yīng)力組合計算結(jié)果　MPa

4. 4全橋動力特性分析

根據(jù)三維有限元模型，對全橋進(jìn)行了動力特性分析，分析結(jié)果：

橫向一階模態(tài)，自振周期0. 700 s，頻率1. 429 Hz。

豎向一階模態(tài)，自振周期0. 143 s，頻率6. 996 Hz。

扭轉(zhuǎn)一階模態(tài)，自振周期0. 350 s，頻率2. 861 Hz。

4. 5拱肋穩(wěn)定分析

4. 5. 1拱肋面內(nèi)的穩(wěn)定性

拱肋面內(nèi)的穩(wěn)定性按承受最大水平推力的中心受壓桿件進(jìn)行檢算。經(jīng)檢算拱肋面內(nèi)穩(wěn)定安全系數(shù)計算值為6. 30＞5，滿足規(guī)范要求。

4. 5. 2拱肋面外的穩(wěn)定性

計算時，模型考慮活載效應(yīng)，屈曲模態(tài)見表4及圖8。

表4　拱肋面外穩(wěn)定性計算結(jié)果

圖8　屈曲模態(tài)五透視圖（豎向及橫向側(cè)傾）

5　結(jié)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(chǔ)上對主梁、拱肋、吊桿等結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位及全橋進(jìn)行了應(yīng)力、變形、動力特性及穩(wěn)定性檢算。結(jié)構(gòu)各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，既驗證了結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，又可為同類鐵路大跨度鋼管混凝土拱橋的設(shè)計與研究提供借鑒。

參考文獻(xiàn)

［1］陳寶春.鋼管混凝土拱橋［M］.北京：人民交通出版社，2007：30-42.

［2］過鎮(zhèn)海，時旭東.鋼筋混凝土原理和分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003：64-77.

［3］王召祜.客運專線橋梁設(shè)計研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2005（4）：42-44.

［4］李杰，陳淮，江瑩瑩，等.鋼管混凝土系桿拱橋吊桿力計算及調(diào)索方法研究［J］.鐵道建筑，2014（1）：7-10.

［5］朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用［M］. 2版.北京：水利水電出版社，1998：32-44.

［6］中華人民共和國建設(shè)部. GB 50010—2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［7］中華人民共和國鐵道部. TB 10002. 3—2005鐵路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國鐵道出版社，2005.

［8］肖汝城，陳紅，魏樂永.橋梁結(jié)構(gòu)體系的研究［J］.土木工程學(xué)報，2008，41（6）：69-74.

（責(zé)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(xiàn)標(biāo)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。