下承式钢管混凝土拱梁组合结构设计与计算分析

皇甫娟

(南昌铁路勘测设计院有限责任公司　南昌　330002)

下承式钢管混凝土拱梁组合结构设计与计算分析

皇甫娟

(南昌铁路勘测设计院有限责任公司南昌330002)

摘要采用桥梁专业软件MIDAS/Civil对一座下承式钢管混凝土拱梁组合结构进行空间有限元分析。通过共节点双单元法模拟钢管混凝土组合结构的受力，并参照新颁布《钢管混凝土拱桥技术规程》(DBJ/T 13-136-2011)进行结构验算。结果表明，该桥的各项指标均满足要求，并通过了施工监控和成桥荷载试验的进一步验证。

关键词钢管混凝土拱桥共节点双单元有限元

九江市八里湖北大道上跨沙浔线立交工程主桥为钢管混凝土哑铃形提篮拱桥，结构体系为下承式刚拱刚梁、内部超静定、外部静定的简支拱。拱脚的水平推力由预应力混凝土梁体平衡，梁体主要承担轴向拉力，弯矩和剪力受吊杆间距的影响而数值较小，并且大部分剪力通过吊杆转换为拱轴压力[1]。

本桥的主要技术指标为：①道路等级，城市次干路，双向4车道，两侧各1条非机动车道及人行道；②设计行车速度，40 km/h；③荷载等级，公路-I级；④抗震标准，基本烈度VI度，按VII度设防；⑤桥梁结构设计安全等级，一级；⑥桥梁设计基准期，100年；⑦桥面设计横坡，车行道1.5%双

向坡，人行道1%单向坡；⑧设计基准风速，10 m高处百年一遇10 min平均最大风速25.6 m/s；⑨桥面铺装，沥青混凝土；⑩建筑限界：桥下净空不小于6.55 m。

桥梁计算跨径80.0 m，全长84.0 m，采用正拱斜置以满足线路纵坡的要求。拱肋向桥中心线倾斜8°成提篮式，以达到提高结构整体横向稳定性及自振频率的最优效果[2-4]。拱肋自身平面内高度为20.0 m，矢跨比为1/4。拱轴线为2次抛物线，起拱点在桥面以下1.2 m，起拱点间横桥向距离为23.49 m。桥面全宽32 m，桥型布置见图1。

图1桥型布置图(单位：m)

1结构设计

1.1　拱肋

拱肋截面高度为250 cm，采用哑铃形断面。上、下钢管均为直径100 cm，管内灌注C50补偿收缩混凝土；2管之间用钢腹板和加劲构造联接成整体，腹腔内灌注C50补偿收缩混凝土。拱肋钢材材质为Q345qD。

拱肋间设置4道桁架形式的K撑横梁，对称设置于4，6号吊杆处，以提高结构的稳定安全系数[5]。直撑桁架上、下弦管均为直径×壁厚为50 cm×1.4 cm的空钢管，腹杆为直径×壁厚为32.5 cm×1.4 cm的空钢管；斜撑桁架上、下弦管均为直径×壁厚为40 cm×1.4 cm的空钢管，腹杆为直径×壁厚为29.9 cm×1.4 cm的空钢管。横梁钢材材质为Q345qD。

1.2　吊杆及锚具

吊杆间距为5.0 m，采用139根直径7 mm高强度环氧涂层钢丝与40Cr钢拉杆组成的成品索，破断力不小于9 949 kN。锚具采用OVM.LZM7-139型球面纠偏冷铸锚头，减振器采用配套的可调式高阻尼减振装置。

1.3　梁体

梁体为单箱5室预应力混凝土结构，混凝土强度等级为C50。跨中截面梁高2.5 m，中腹板厚0.4 m、边腹板厚1.5 m，顶底板厚0.3 m；根部截面梁高3.0 m，中腹板厚1.0 m、边腹板厚3.0 m，顶底板厚0.3 m。梁体于每道吊杆处均设置0.5 m厚预应力混凝土横隔板，共计13道；于支点处设置4.0 m厚预应力混凝土横隔板，共计2道。

2结构计算与分析

2.1　有限元模型

采用桥梁专业软件Midas/Civil进行分析计算，全桥共455个节点，620个梁单元，26个桁架单元。通过共节点重置单元的双梁模式法模拟钢管及管内混凝土，偏保守不考虑套箍效应。主梁节点和支座节点用刚性连接模拟，支座节点用一般支承固结，现浇箱梁及拱肋的支架采用一般支承模拟。拱脚与箱梁、吊杆与横隔梁均采用刚性连接模拟。空间有限元计算模型见图2。

图2全桥三维模型图

计算采用的材料参数根据设计规范确定,钢材弹性模量206 GPa,容重为78.5 kN/m3；混凝土弹性模量345 GPa，容重为26.25 kN/m3；吊杆、预应力钢绞线弹性模量195 GPa。

桥梁恒载根据输入的材料特性值和截面特性值由程序自动加载。二期荷载值为175.0 kN/m，以线荷载的形式作用在梁单元上。汽车荷载按6车道分别考虑纵、横向折减系数计算。温度荷载分别考虑整体升温25 ℃、降温30 ℃。混凝土收缩徐变考虑10年的时间效应，按规范对相关参数进行取值。施工阶段共划分为26个，见表1。为减小施工过程中拱肋的应力，吊杆分2次张拉，张拉力见表2。

表1　施工阶段划分详表

表2　吊杆张拉力表

2.2　拱肋结构计算分析

按照新颁布《钢管混凝土拱桥技术规程》(DBJ/T 13-136-2011)(以下简称《规程》)的相关规定对本桥拱肋进行承载能力极限状态验算。

φeKtN0=0.935×1.0×49 691=46 464 kN>γ0Ns=1.0×13 610=13 610 kN

φeKtN0=0.991×1.0×49 691=46 802 kN>γ0Ns=1.0×10 387=10 387 kN

φeKtN0=0.980×0.9×49 691=46 277 kN>γ0Ns=1.0×9 170=9 170 kN

均满足要求。

(2) 《规程》第5.3.2条规定，钢管混凝土拱肋的面内整体稳定极限承载力可将其等效成梁柱进行验算。考虑稳定系数、偏心率折减系数、徐变折减系数、初应力度影响系数，计算长度采用无铰拱的0.36 S，两端作用力采用L/4截面处的弯矩与轴力，拱肋的稳定承载力为：

φφekckpND=0.847×0.963×0.8×103 507=

67 541kN>γ0Ns=1.0×20 311=20 311kN

满足要求。

(3) 《规程》第6.0.5条规定，钢管混凝土拱桥按短期效应组合(汽车荷载不计冲击系数)，消除结构自重产生的长期挠度后，拱肋在一个桥跨范围内的正负挠度绝对值之和不应大于跨径的1/1 000。本桥拱肋在活载作用下的挠度包络如图3所示。在汽车荷载作用下，最大位移值为-0.003 m，最小位移值为0.001 m。绝对值之和为0.004 m<80/1 000=0.080 m。满足要求。

图3移动荷载作用下拱肋位移图

(4) 《规程》第6.0.7条规定，持久状况下钢管混凝土拱肋的钢管应力不应大于0.8fy。收缩徐变完成后拱肋累计最大压应力位于拱脚截面底缘处，为117 MPa；汽车荷载作用下压应力增量为9 MPa。则钢管最大压应力为117+9=126 MPa<0.8×345=276 MPa。满足要求。

2.3　主梁结构验算分析研究

主梁按全预应力构件进行设计，承载能力极限状态及正常使用极限状态下截面各项验算指标均满足规范相关要求。见图4～图6。

图4承载能力极限状态组合主梁弯矩包络图及抗力图

图5短期效应组合主梁拉应力及限值图

图6　标准效应组合主梁压应力及限值图

主梁挠度计算见表3，消除结构自重后主梁长期挠度值为2.28 cm，小于计算跨径的1/600=13.3 cm，满足规程要求。

表3　主梁挠度计算表

2.4　吊杆验算分析研究

根据《规程》要求，吊杆的安全系数不应小于3.0。在1.0施工阶段累计索力+1.0汽车荷载作用下索力+1.0人群荷载作用下索力+1.0温度荷载作用下索力组合工况下，吊杆最大内力为 2 873 kN，安全系数为9 949/2 873=3.46>3.0，满足规程要求。

2.5　拱肋稳定分析研究

拱肋稳定计算系数为10.48>4，满足规程要求。

3结语

通过对本工程设计计算研究，介绍了共节点双单元法在钢管混凝土结构有限元模型建立过程中的应用，并验证了新颁布《钢管混凝土拱桥技术规程》DBJ/T 13-136-2011在钢管混凝土拱肋结构验算过程中的可操作性。该桥已于2014年4月建成通车。由施工监控数据可知，本桥在各个施工阶段应力及位移均与设计计算结果相近。由成桥荷载试验可知，试验荷载作用下桥梁具有足够的强度和刚度，桥梁工作状态处于弹性范围；桥梁的自振特性及在汽车荷载作用下结构的动力响应均满足设计和规范要求。进一步验证了设计计算采用方法及规程的合理性，为今后同类形桥梁的设计验算提供了参考，值得推广。

参考文献

[1]罗世东.铁路桥梁大跨度组合桥式结构的应用研究[J].铁道标准设计，2015(11):2-3.

[2]赵跃宇，劳文全，冯锐，等.内倾角对钢管混凝土提篮拱力学性能影响的分析[J].公路交通科技，2007(3):56-58.

[3]程海根，强士中.钢管混凝土提篮拱动力特性分析[J].公路交通科技，2002(6):63-65.

[4]黄平明，任翔，李文杰.拱肋内倾角对钢管混凝土拱桥静动力学的影响[J].长安大学学报：自然科学版，2009(3):51-55.

[5]吴海军，邹魁，余朝.下承式钢管混凝土拱桥稳定分析[J].长沙铁道学院学报：社会科学版，2010(2):193-195.

Design, Calculation and Analysis of Through

CFST Hybrid Structure of Arch and Girder

HuangFujuan

(Nanchang Railway Institute of Design Co., Ltd., Nanchang 330002, China)

Abstract：The bridge professional software MIDAS/Civil is adopted to analyze a concrete-filled steel tubular (CFST) arch bridge. The stress of the CFST is simulated by total nodes double-cell method, and the structure calculation is checked with the newly-promulgated regulation "Technical specification for CFST" DBJ/ T13-136-2011. The results show that the indicators of the bridge satisfy the requirements, and the results are further validated through the construction monitoring and bridge load test, etc.

Key words:concrete-filled steel tubular (CFST); arch bridge; total nodes double-cell; finite element

收稿日期：2015-02-23

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.03.019