大跨鐵路連續(xù)梁拱橋梁性能分析

 大跨鐵路連續(xù)梁拱橋梁性能分析

　　摘要：梁拱組合橋的出現(xiàn)解決了在軟土地基上修建拱橋的困難，有很強(qiáng)的生命力。經(jīng)過一百多年的發(fā)展，隨著橋梁分析理論的完善、分析手段的進(jìn)步，隨著新材料、新工藝的應(yīng)用，人們對梁拱組合橋的認(rèn)識不斷提高。本文針對連續(xù)梁拱組合橋梁的研究現(xiàn)狀，為進(jìn)一步了解梁拱組合橋的構(gòu)造特點(diǎn)、受力特性、適應(yīng)情況及施工方法，對梁拱組合橋梁的一些典型的靜力問題進(jìn)行分析研究，對該類橋型的設(shè)計(jì)施工提出一些建議，以期在今后此類橋梁的設(shè)計(jì)施工中起到參考和借鑒的作用。

　　關(guān)鍵詞：鐵路；連續(xù)梁拱；性能

　　一、連續(xù)梁拱式橋梁的受力特點(diǎn)

　　梁拱組合式橋梁在受力特征上是典型的三元結(jié)構(gòu)，即由活載分布構(gòu)件、力的傳遞構(gòu)件及主要承重構(gòu)件組成。其中系梁、橫梁與橋面板共同作用為活載分布構(gòu)件，吊桿（或與立柱一起）為力的傳遞構(gòu)件，而拱肋及系梁為主要承重構(gòu)件。可見系梁不僅僅是活載分布構(gòu)件，而且也是承重構(gòu)件的一部分，因此其受力機(jī)理是雙重的。

　　連續(xù)梁拱組合式橋梁其外部支承條件與連續(xù)梁基本相同，支座處只產(chǎn)生豎向反力，反映出連續(xù)梁的受力特點(diǎn)。連續(xù)梁拱組合橋梁總的受力特點(diǎn)是：從結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力情況來看，荷載在拱與梁中產(chǎn)生的內(nèi)力大部分轉(zhuǎn)變?yōu)樗鼈冎�間所形成的自平衡體系的相互作用力，而荷載對于梁拱組合結(jié)構(gòu)外部約束條件所引起的總體受力效應(yīng)，也因其構(gòu)造特點(diǎn)而變成另一形式的作用效應(yīng)。從而拱的水平推力與梁的軸向拉力相互作用，拱與梁截面的總彎矩等效為主要由拱受壓、梁受拉的受力形式，剪力則主要成為拱壓力的豎向分力。其受力性能有以下特點(diǎn)：

　�。╨）下承式連續(xù)梁拱組合橋的拱通過對中跨的加強(qiáng)使內(nèi)力重新分布，并將荷載由拱直接傳遞到支點(diǎn)，中跨與邊跨內(nèi)力的相互影響大為減弱，邊跨出現(xiàn)負(fù)反力的可能性大大減小，使邊跨的跨度達(dá)到了最小值。中跨較大的剪力主要由拱壓力的豎向分力抵抗，而邊跨較小的剪力可由邊跨梁承受。

　�。�2）中承式連續(xù)梁拱組合橋，是一種較適合連續(xù)橋梁受力特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，在彎矩較大的跨中和中支點(diǎn)處拱與梁的相對距離增大，此時(shí)拱受壓、梁受拉成為該橋抗彎的最佳受力狀態(tài)，而在剪力最大的中支點(diǎn)處，拱軸線與水平線呈最大傾角，拱壓力的豎向分力有效地平衡了剪力。

　�。�3）上承式連續(xù)梁拱組合橋是通過加強(qiáng)中支點(diǎn)段吸引內(nèi)力，并在跨中段拱梁合一達(dá)到最小建筑高度。拱壓力及其上加勁梁拉力能有效抵抗負(fù)彎矩，而拱壓力的豎向分力也成為抗剪的主力。

　�。�4）連續(xù)梁拱組合橋的邊跨與中跨之比較小，可最大限度地提供通航空間、縮短橋長，而且也使主要承受負(fù)彎矩的短邊跨受力更適合構(gòu)造特點(diǎn)及預(yù)應(yīng)力筋的布置。對于下承式梁拱組合橋，拱對中跨強(qiáng)有力的加勁與梁拱組合的相對封閉作用，在很大程度上阻止了中跨與邊跨之間荷載的相互傳遞，中支點(diǎn)幾乎成了中跨與邊跨的隔離點(diǎn)。邊跨不容易出現(xiàn)負(fù)反力，其受力主要取決于跨內(nèi)的荷載情況。

　�。�5）矢跨比對結(jié)構(gòu)整體受力與變形至關(guān)重要。如果采用較小的矢跨比，拱壓力的急劇上升必須取用更大的截面，梁內(nèi)巨大的拉力使得必須配以更多的預(yù)應(yīng)力鋼筋，而無法改變的是梁拱組合結(jié)構(gòu)整體抗剪剛度的下降。

　�。�6）上、中承式連續(xù)梁拱組合橋的混凝土立柱，拱與梁的結(jié)點(diǎn)，以及拱與拱座的結(jié)點(diǎn)，都是可能出現(xiàn)裂縫的地方�；炷�土開裂的原因，主要是梁與拱不協(xié)調(diào)的荷載響應(yīng)，如混凝土拱過大的徐變、溫度影響、矢跨比過小等。

　�。�7）梁拱組合橋的預(yù)應(yīng)力均施加在受拉的梁上，預(yù)應(yīng)力度影響著梁的徐變。拱與梁內(nèi)壓應(yīng)力的相對水平影響著結(jié)構(gòu)長期變形與受力的趨勢，拱內(nèi)過大的壓應(yīng)力將造成結(jié)構(gòu)跨中下沉、各結(jié)點(diǎn)及拱腳彎矩增大。

　�。�8）隨著跨徑的增大及施工過程的復(fù)雜化，梁拱組合橋的吊桿的施工拉力及梁的預(yù)變位對結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響漸趨重要。不論在施工過程中還是在使用階段，吊桿的拉力主要取決于結(jié)構(gòu)的整體受力，結(jié)構(gòu)的成型線形，則應(yīng)由施工過程中構(gòu)件形成初始預(yù)變位決定。

　　二、連續(xù)梁拱橋梁結(jié)構(gòu)施工方法

　　梁拱組合式橋梁根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)形式、施工設(shè)備與技術(shù)水平以及橋位條件的不同，施工方法也多樣化。根據(jù)施工是否采用支架，可以分為支架法和無支架法。具體的施工方法有很多，主要有：滿堂支架澆注法、少支架現(xiàn)場拼裝（澆注）法、懸臂拼裝（澆注）法、塔架斜拉索法、勁性骨架法、預(yù)制整體浮運(yùn)法、岸邊澆注轉(zhuǎn)體施工法等等。根據(jù)它的主要結(jié)構(gòu)組成部分梁和拱的施工順序，分為先梁后拱、先拱后梁以及整體架設(shè)三種。

　�。╨）先梁后拱

　　先梁后拱的施工方法一般應(yīng)用于平原地區(qū)和橋位處為干早地帶的下承式連續(xù)梁拱組合式橋梁的施工，主梁可以像一般的梁橋那樣進(jìn)行架設(shè)，如在支架上大段吊裝拼裝、整體浮運(yùn)吊裝、懸臂拼裝、纜索吊裝法以及頂推法。完成主梁的架設(shè)后可以在主梁上用少支架法完成主拱的架設(shè)。在實(shí)際的拱橋施工過程中，由于橋位地形、地址和水文等自然條件的不同，施工方法通常是非常復(fù)雜的，并且在結(jié)構(gòu)的總造價(jià)中還占很大的比例，在建造這些橋的過程中可能還會需要一些特定的施工設(shè)備，往往也會幾中方法兼或使用。

　�。�2）先拱后梁

　　采用先拱后梁的施工方法時(shí)，一般通過分段懸臂拼裝（澆注）法、塔架斜拉索法、勁性骨架法或轉(zhuǎn)體施工法等先完成主拱的架設(shè)，然后再利用主拱完成主梁的架設(shè)。對于下承式梁拱組合式橋梁，可以通過在拱肋上安裝吊機(jī)，完成主梁的分段拼裝；對于上承式梁拱組合式橋梁，可以在拱背上搭設(shè)支架，現(xiàn)澆加勁縱梁，或是利用立柱分段或分孔架設(shè)主梁。采用先拱后梁施工時(shí)，在安裝主拱時(shí)，需要有臨時(shí)措施解決拱的推力的措施，如臨時(shí)固結(jié)、臨時(shí)拉索等。

　　三、橋梁拱結(jié)合部局部應(yīng)力分析

　　預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁拱組合體系橋梁，由拱肋、系梁、吊桿、橫梁及橋面系組合起來共同受力，梁拱同時(shí)承受軸力和彎矩，梁與拱在中支點(diǎn)處剛性連接。連續(xù)梁中支點(diǎn)處存在較大的負(fù)彎矩，分配到中孔的梁和拱內(nèi)；同時(shí)拱腳巨大的水平推力通過中孔系梁平衡，中支點(diǎn)處一般設(shè)有強(qiáng)大的中橫梁，以增加主縱梁的抗扭剛度。這都使得拱肋與縱梁連接處無論在施工過程中，還是在使用階段受力都非常復(fù)雜。

　　3.1Ansys建模簡介

　　ANSYS是融結(jié)構(gòu)、流體、電磁場、聲場和熱場為一體的大型通用有限元軟件，可廣泛應(yīng)用于土木、地質(zhì)、礦業(yè)、材料、機(jī)械、儀器儀表、熱工、電子、水利、生物醫(yī)學(xué)和原子能的工程的分析和科學(xué)研究。它可以在大多數(shù)計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)中運(yùn)行，并且可以和大多數(shù)CAD軟件接口，已經(jīng)逐漸成為工程師實(shí)現(xiàn)工程創(chuàng)新和產(chǎn)品創(chuàng)新的得力助手和有效工具。

　　3.2Ansys作業(yè)流程

　　ANSYS構(gòu)架分為兩層，一是起始層（BeginLevel），二是處理層（ProcessorLevel）。這兩個(gè)層的關(guān)系主要是使用命令輸入時(shí)，要通過起始層進(jìn)入不同的處理器。處理器可視為解決問題步驟中的組合命令，它解決問題的基本流程敘述如下：

　�。╨）前置處理（GeneralPreprocessor）

　�、俳�立幾何模型（點(diǎn)、線、面、體）；

　�、诙�義材料屬性（如彈性模量、泊松比等）；

　�、蹌澐志W(wǎng)格。

　�。�2）求解處理（Solutionprocessor）

　�、俳o結(jié)構(gòu)模型施加荷載條件；

　�、谑┘蛹s束條件及求解。

　　（3）后置處理（GenerapostProcessor）

　　四、工程實(shí)例

　　杜坑特大橋工程簡介

　　廣珠鐵路杜坑特大橋結(jié)構(gòu)形式為58.4+128+58.4m連續(xù)梁拱，具體形式如下圖。為跨越江門市杜阮北路的跨路橋梁，斜交59°，杜阮北路勘測時(shí)為雙向四車道，中間為2.5米寬隔離帶，道路正寬18米，根據(jù)與江門市規(guī)劃局溝通，杜阮北路規(guī)劃拓寬為雙向8車道，單側(cè)行車道寬15米，行車道邊設(shè)非機(jī)動車道及人行道，規(guī)劃路全寬60米�！�

　　結(jié)構(gòu)構(gòu)造

　　1、主梁

　　主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，采用單箱單室變高度箱型截面，跨中及邊支點(diǎn)處梁高3.2米，中支點(diǎn)處梁高6.5米，梁底按圓曲線變化。

　　2、拱肋

　　拱肋計(jì)算跨度L=128米，設(shè)計(jì)矢高f=25.6米，矢跨比f/l=1:5，拱軸線采用二次拋物線，設(shè)計(jì)拱軸線方程：Y=-1/160X2+0.8X。

　　拱肋于拱頂設(shè)置最大0.1m預(yù)拱度，施工矢高f=25.7米，施工拱軸線方程：Y=-0.0062744140625X2+0.803125X.拱肋實(shí)際施工均采用施工拱軸線制作和拼裝。

　　拱肋為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，采用等高度啞鈴截面，截面高度2.8米。拱肋弦管直徑φ0.8米，由σ=16mm厚的鋼板卷制而成，弦管之間用σ=16mm厚鋼綴板連接，拱肋弦管及綴板內(nèi)填充微膨脹混凝土。兩榀拱肋間橫向中心距11m。

　　拱肋鋼管在工廠制作加工后，運(yùn)至現(xiàn)場拼裝，每榀拱肋劃分為12個(gè)運(yùn)輸節(jié)段（不含預(yù)埋段、合攏段），運(yùn)輸節(jié)段最大長度小于13米。拱肋接口避開吊桿位置，制作拱肋鋼管時(shí)，可根據(jù)運(yùn)輸條件、加工材料規(guī)格調(diào)整管節(jié)長度和運(yùn)輸節(jié)段長度。

　　3、橫撐

　　兩榀拱肋之間共設(shè)8道橫撐，橫撐均采用空間桁架撐，各橫撐由4根φ450×12mm主鋼管和32根φ250×10mm連接鋼管組成，鋼管內(nèi)部不填充混凝土。

　　4、吊桿

　　吊桿順橋向間距8米，全橋共設(shè)14組吊桿。吊桿采用PES(FD)7-55型低應(yīng)力防腐拉索（平行鋼絲束），外套復(fù)合不銹鋼管，配合使用冷鑄鐓頭錨。吊桿上端穿過拱肋，錨于拱肋上緣張拉底座，下端錨于吊點(diǎn)橫梁下緣固定底座。

　　五、結(jié)論

　　隨著橋梁結(jié)構(gòu)逐漸向大跨度方向發(fā)展，幾何非線性、材料非線性等問題在橋梁結(jié)構(gòu)上的影響將越來越突出。考慮非線性對拱橋穩(wěn)定性的影響，并進(jìn)一步探討該橋的極限承載力將是非常有意義的課題。雖然在鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在我國的橋梁結(jié)構(gòu)上應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，但是由于我國目前處于交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的高峰期，大量的研究力主要集中于具體橋梁工程的應(yīng)用研究之中，對于鋼管混凝土拱的研究尚不系統(tǒng)與深入，沒有形成較為成熟的設(shè)計(jì)理論，而只是簡單的將其擬合成鋼拱或是鋼筋混凝土拱，設(shè)計(jì)計(jì)算與驗(yàn)算缺乏科學(xué)依據(jù)。可以進(jìn)行大量的科學(xué)試驗(yàn)研究，盡早形成完善的科學(xué)計(jì)算理論并形成相應(yīng)規(guī)范。

　　參考文獻(xiàn)

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