京沪高速铁路钢箱梁拱组合桥设计

颜 志 华

(中国铁路设计集团有限公司,天津　300142)

1　工程概况

京沪高速铁路跨越京福高速公路、济兖公路时，采用了2孔96 m跨度下承式简支钢箱系杆拱组合桥。本桥为四线桥，中间为双线高速铁路，两侧为联络线。

2　有限元整体计算分析

2.1　板单元模型

建立全桥板单元有限元分析模型，主梁、主拱、横撑等均采用板单元模拟，吊索采用桁架单元模拟。整个模型共有节点92 502个，板单元102 496个，桁架单元30个，见图1。

2.2　荷载分布及偏载性影响分析

本桥桥宽为25.7 m，当在荷载偏载、不均匀温差等使用条件下会使钢箱梁横断面上应力产生程度不同的不均匀分布。为了明确荷载分布及偏载对结构性能的影响，对结构在一线偏载、二线偏载和四线满载条件下的主梁结构应力分布情况进行了分析。

1)Ⅰ线偏载。

Ⅰ线偏载情况下主梁在顶板范围内，应力分布不均匀主要集中在靠近偏载线路的中间部分，其中跨中部分截面应力分布最不均匀，计算结果显示，顶板跨中截面在 Ⅰ 线偏载作用下最大压应力为3.9 MPa，位于偏载线路位置处，而最大拉应力为0.6 MPa，位于远离偏载线路的一侧。在底板范围内，应力分布不均匀一部分主要集中在靠近偏载线路的中间部分，而另一部分集中在主梁结构的两端，集中主梁的左端应力分布不均匀程度要大于主梁的右端。

2)Ⅰ,Ⅱ线偏载。

在Ⅰ,Ⅱ线偏载顶板范围内，应力分布不均匀主要集中在靠近偏载线路的中间部分，其中跨中部分截面应力分布最不均匀，计算结果显示，顶板跨中截面在Ⅰ,Ⅱ线偏载作用下最大压应力为5.0 MPa，位于偏载线路位置处，而最大拉应力为0.8 MPa，位于远离偏载线路的一侧。在底板范围内，Ⅰ,Ⅱ线偏载的应力分布特征与Ⅰ线偏载情况下的应力分布特征类似。

3)四线满载。

四线满载情况下顶板范围内，应力分布不均匀主要集中在顶板与拱肋连接部位，其他部分截面的应力基本趋于均匀。计算结果显示，顶板跨中截面在四线满载作用下最大压应力为5.7 MPa，位于截面中心位置，而最小压应力也达到3.1 MPa，位于截面两侧。在与拱脚连接范围内，最不均匀的截面应力分布为：与拱脚连接处最大拉应力为26 MPa,最小拉应力为3.1 MPa,位于截面外侧。在底板范围内，四线满载情况下的应力分布特征与顶板在同样荷载条件下的应力分布特征基本相同，应力分布不均匀主要集中在底板与拱肋连接部位，其他部分截面的应力基本趋于均匀。

3　拱脚局部应力分析

钢箱梁拱组合结构拱脚巨大的水平推力通过钢箱系梁平衡，拱肋与钢箱梁连接处受力和构造非常复杂，建立MIDAS模型准确分析了拱脚处受力状态，在设计和构造上采取了有效措施。

3.1　计算模型

为准确模拟荷载条件，在上述全桥板单元模型进行加载计算，拱脚局部将单元进行细化处理，整个模型节点增加到100 644个，板单元增加到111 524个，见图2。

3.2　计算结果

1)顶板应力。

顶板在梁端局部出现压应力区域，随着向主梁节段推移，应力逐渐转变为拉应力，这是拱上的轴力逐渐传递到主梁上的结果；在通过拱梁交接位置后，顶板与横隔板交叉局部位置出现应力集中。顶板最大拉应力为113.0 MPa，最大压应力为59.2 MPa，最大剪应力为50.0 MPa。

2)底板应力。

底板应力相对比较均匀，仅在支座位置附近出现应力集中。底板最大拉应力为135.8 MPa，压应力为164.8 MPa，剪应力为12.1 MPa。

3)腹板应力。

腹板应力为由拱上受压逐渐过渡到梁上受拉，正应力在支座附近、支座加劲肋的顶端位置附近以及拱梁斜交尖角的填角加劲肋处出现应力集中，剪应力在外隔板位置出现应力集中。最大拉应力为174.6 MPa，压应力为333.1 MPa，剪应力为31.3 MPa。

4)横隔板应力。

主梁横隔板在拱梁交接隔板附近位置竖向应力有显著提升，并伴随有应力集中现象；横向应力分布较均匀，只在入洞口附近出现轻微的应力集中。最大拉应力为111.9 MPa，压应力为101.1 MPa，剪应力为40 MPa。

拱肋横隔板在拱梁交接隔板位置拱上横隔板的局部出现应力集中现象，随着远离此位置，应力集中逐渐消散。最大拉应力为97.1 MPa，最大压应力为86.2 MPa，剪应力为20.1 MPa。

5)横肋应力。

横肋竖向主要为受压为主，横向则为受拉，靠近梁端支座位置附近横肋应力较大，并且有小幅的应力集中现象。最大拉应力为38.9 MPa，压应力为58.8 MPa，剪应力为19.1 MPa。

6)加劲肋应力。

支座处加劲肋局部应力较大，应力由底端集中向上扩散，局部最大拉应力129.2 MPa，压应力331.4 MPa，剪应力29.7 MPa。

箱顶加劲肋在与其他板交叉处应力较大，最大拉应力30.0 MPa，压应力50.9 MPa，剪应力28.1 MPa。

由以上计算结果可以看出，应力集中点主要在支座附近位置以及拱、梁顶、底板交接位置和外隔板附近。在拱、梁顶、底板交接位置和外隔板位置附近最大应力均能满足规范要求。

4　结语

本文所介绍的跨度96 m四线钢箱梁拱组合结构在国内首次采用。本桥的特点是桥面宽、双拱肋且无成熟设计制造经验可以借鉴。建立MIDAS模型对桥梁进行了计算，着重对偏载影响、拱脚局部应力进行了分析研究。计算结果表明，设计成果满足规范要求。