上承式钢筋混凝土拱桥构造研究

李　宇

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处，天津　300142)



上承式钢筋混凝土拱桥构造研究

李宇

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁处，天津300142)

摘要：为研究上承式钢筋混凝土拱桥构造对结构受力的影响，利用有限元方法分析某无砟轨道上承式钢筋混凝土拱桥拱肋厚度及腹拱跨度对结构受力的影响。通过计算分析得出采用增加拱肋厚度、减小腹拱跨度的方式，能有效改善局部受力，降低腹拱墩范围的应力水平使结构受力更为合理的结论。

关键词：铁路桥；钢筋混凝土;拱桥；应力集中；弹塑性分析；接触单元

1概述

无砟轨道上承式钢筋混凝土拱桥计算跨度为72 m，矢高14.4 m，矢跨比1/4.8，拱轴线采用二次抛物线。拱上建筑采用空腹式箱形结构，腹拱采用二次抛物线拱圈，方案见图1。通过建立精细化有限元模型，比较了不同拱肋厚度及不同腹拱跨度对拱桥的受力影响[1]并对结构进行优化。以解决上承式钢筋混凝土拱桥腹拱处受力复杂，拉应力水平高的设计难点。

2分析模型介绍

为解决拱桥实体模型移动荷载施加困难，计算代价大的问题[3]。首先建立Midas板-梁简化模型(图2)施加列车荷载，并使用 “移动荷载追踪器”找到分析处最不利的加载位置[2]。再依据记录的动荷载最不利位置，按照静力方式在实体模型相应位置加载。

上承式拱桥腹拱墩处于高应力水平，局部混凝土可能进入塑性。利用Ansys模型中的Solid65单元支持通用的屈服准则-Von Mises屈服准则[3]和同心强化与随动强化准则。通过自定义多线性应力-应变曲线，运用多线性随动强化(MKIN)和多线性等向强化(MISO)[5]模拟强化效应，可对腹拱墩区域进行弹塑性分析。Ansys有限元模型采用Solid65单元[4]模拟，见图3，同时为避免桥面板处单元划分时出现由于厚度过小引起的实体单元畸形，桥面板采用Shell63单元模拟。这两种不同单元的接触状态采用由“目标面”和“接触面”组成的面面接触方式模拟。本模型中“目标面”为实体单元表面，采用Targel170单元模拟；“接触面”为壳单元，采用Contal175单元模拟。

图3　钢筋混凝土拱桥双腹拱方案ANSYS模型

对于实体模型混凝土结果的弹塑性分析，应采用三轴强度准[6]判断。但是考虑到规范[7]采用混凝土单轴抗压、抗拉强度统计平均值(σb、σtp-1) 进行判断，因此，也采用单轴强度作为判断准则。

3拱肋厚度对腹拱应力的影响

拱肋是拱桥的主要承重构件，本桥拱肋采用构造简单、施工方便[7]的矩形截面。初步拟定双腹拱方案腹拱跨径为2×11 m，分别按照拱肋厚度1.2、1.4、1.6、2.0 m，计算拱肋厚度变化对腹拱局部应力的影响。应力分析结果位置见图4(应力分析结果拉应力为正，压应力为负) 。

图4　应力分析位置

分析图5～图7可知：在荷载作用下拱肋、腹拱发生变形，腹拱拱肋底板及腹拱墩处产生拉应力。腹拱拱肋底板处拉应力随着拱肋厚度的增加不断减小，在拱肋厚度为2 m时拉应力下降较快；但腹拱墩应力水平对拱肋厚度变化不敏感，为减小腹拱墩拉应力增加拱肋工程数量过大，经济性不佳，应同时研究其他措施降低腹拱应力水平。

图5　腹拱底面E处主应力(拉正、压负)

图6　腹拱墩上部C处主应力(拉正、压负)

图7　腹拱墩底面D处拉应力(拉正、压负)

4腹拱跨度对腹拱应力的影响

腹拱墩与拱肋采用固结方式连接。腹拱和拱肋作为一个整体共同承载，其整体作用大小和腹拱的布置形式直接相关，优化布局可改善结构受力状况，提高结构承载能力[9]。腹拱跨径较合理范围为主拱圈跨径的1/8～1/15[10-12]，对应于本桥腹拱跨径应为4.8 ～9.0 m，原双腹拱方案腹拱跨径为2×11 m，跨径越大腹拱柱处集中力越大，对自身及主拱肋受力均不利；而腹拱跨径过小，对减轻拱上结构质量不利，构造也更复杂，因此采用三腹拱方案跨径为3×7 m，建立实体模型与双腹拱方案进行对比分析。

由图8～图13可知，腹拱及拱肋A～E处主应力均随着采用三腹拱方案而减小，经过分析，主要原因是三腹拱直接减小了钢筋混凝土腹拱的跨度，而跨度是影响跨越结构应力水平的最直接因素，因此本方案对减小结构应力效果明显。同时由于跨度减小，相当于腹拱拱脚承担的上建自重减轻，因此拱脚F处应力未因3×7 m方案增加拱上建筑而增大，对于B、D处局部应力结果较大，分析原因为应力集中，采取腹拱拱脚处设置加台予以解决。

图8　A处主应力(拉正、压负)

图9　B处主应力(拉正、压负)

图10　C处主应力(拉正、压负)

图11　D处主应力(拉正、压负)

图12　E处主应力(拉正、压负)

图13　F处主应力(拉正、压负)

综合对拱肋厚度、腹拱跨度的比选，最终结构选用了较薄拱肋厚度、减小腹拱跨度的实施方案。

5结论

(1)上承式钢筋混凝土拱桥结构整体应力随着拱肋厚度的增加趋于均匀，腹拱底板拉应力呈减小的趋势。但腹拱墩应力对拱肋厚度变化不敏感，而且增加拱肋厚度也使结构自重增加，工程代价较大。

(2)按受力及拱上建筑质量综合考虑，优化腹拱跨度可明显降低腹拱墩处应力，提高结构的安全性及耐久性。

(3)上承式钢筋混凝土拱桥腹拱跨度超过主跨跨度的1/8腹拱处混凝土应力明显增大，普通钢筋混凝土结构通过配筋难以解决，建议腹拱跨度采用主跨跨度的1/8～1/15对结构受力较为适宜。

参考文献：

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[6]周四思.《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005)若干问题的说明[J].铁道标准设计，2006(3)：61-63.

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[12]陈万龙.广州新光大桥主拱钢-混凝土纵梁设计研究[J].铁道标准设计，2009(5)：68-69.

Structural Study on Reinforced Concrete Deck Arch Bridge

LI Yu

(Department of Bridge Engineering Design and Research， The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin 300142， China)

Abstract：Using the data from a deck arch bridge， this article conducts an analysis of the relationship between the thickness of arch rib and the span of spandrel arch. The results show that increasing the thickness of the arch rib and decreasing the span of the spandrel arch can effectively improve the local load carrying capacity and lower the stress level around the spandrel arch pier．

Key words：Railway bridge; Reinforced concrete; Arch bridge; Stress concentration; Elasto-plastic analysis; Contact element

中图分类号：U451

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.04.010

文章编号：1004-2954(2016)04-0040-03

作者简介：李宇(1985—)，男，工程师，2010年毕业于哈尔滨工业大学桥梁工程专业，工学硕士，E-mail：267311506@qq.com。

收稿日期：2015-05-06； 修回日期：2015-12-08