某铁路槽型梁拱桥拱脚局部应力分析

史灼

（中国铁路设计集团有限公司，天津300308）

1 引言

1.1 概述

槽型梁拱组合桥梁因净空优化、受力明确、造型美观等特点越来越多地应用于我国桥梁建设中[1]。拱梁结合处是受力关键且较为复杂的部位，刚度变化较为明显，主要承受拱的推力、支座反力、预应力等荷载作用。为保证结构的安全耐久性，对拱脚位置的局部应力状态进行细致的分析研究显得尤为必要[2，3]。

在上述背景下，为精确模拟拱脚位置结构的受力状态，本文采用两部走的方法：第一步，建立全桥实体元模型，以精确模拟结构的受力状态，提取不同工况下拱肋截面的荷载结果；第二步，建立更为精细化的拱脚局部分析模型，将拱肋截面的荷载视为外力作用，分析拱脚局部应力的分布特征，具有一定的工程应用价值。

1.2 工程概况

某铁路上跨高速公路节点采用简支槽型梁拱组合结构，以满足桥下净空要求，降低铁路纵断面。

结构布置采用刚性系梁柔性拱，双拱肋体系，支架现浇，先梁后拱施工。桥梁计算跨度56 m，设计矢高8 m，矢跨比1/7，拱轴线采用二次抛物线。拱肋为钢管混凝土材料，横截面为圆端形钢管，内部填充C50自密实补偿收缩混凝土。

结构采用图1所示槽型截面，由桥面板和边主梁构成。两侧各对称设置一道边主梁，中间由桥面板连接。桥面板于梁端局部进行较厚，板底与边主梁底平齐；板厚过渡段、边主梁及桥面板横向连接处均设倒角。边主梁横截面为矩形截面，在梁端进行局部加宽加高，局部段落进行过渡处理。

图1 槽型梁拱结构标准横断面图

2 仿真模拟

2.1 整体模型

建模过程中，采用二力杆单元Link8模拟吊杆的单向受力特性；考虑到钢管混凝土填芯，采用板单元Shell63模拟钢管的空间变形及受力状态；纵横向预应力钢束通过三维梁单元Beam189实现；支座用质量单元Mass21模拟；为更准确反映材料特性，减小简化误差，其他结构均采用实体单元Solid45模拟。所建立槽型梁拱组合结构模型如图2所示。

图2 全桥实体模型

2.2 拱脚模型

基于ANSYS有限元软件建立拱脚空间局部有限元模型，进行局部应力分析，如图3所示。选取1/4拱脚结构节段，横向截取整个结构宽度的1/2，包括拱肋、拱脚、主梁、桥面板、支座以及预应力钢束等结构。建模过程中所采取的单元及细部参数与全桥整体模型保持一致。

图3 拱脚局部模型

2.3 边界条件

1）约束：近似模拟结构的实际约束效果。将梁体对局部实体模型的作用简化为约束，A面仅考虑横桥向的支承，B面简化为固结；支座位置仅考虑竖向支承。

2）荷载：作用的局部结构上的荷载有二期和纵横向钢束的预应力荷载；此外，考虑运营期间主力和主力+附加力2种不利工况，于全桥模型中提取不同工况下作用于拱肋截面的荷载，分别汇总于表1。

表1 拱肋截面作用荷载

3 计算结果

采用表1中相应荷载加载于局部模型拱肋截面，分别得到主力和主附工况下计算结果。

3.1 主力工况

主力工况下结构应力云图如图4所示。

图4 主力工况作用下拱脚局部主应力云图

由图4可见：

1）混凝土的主压应力有较大的安全储备。拱肋截面和拱脚变截面位置的主压应力不超过4 MPa，拱脚结构其他位置该数值处于2 MPa以内，相对主力工况下20.1 MPa的限值仍有较大的压应力储备。

2）混凝土的主拉应力是拱脚位置的受力控制因素。在预应力束张拉部位出现较为明显的失真情况；拱肋与拱脚的钢混结合部位出现小区域范围的集中应力；而拱脚其他部位均满足运营状态结构的混凝土应力限值。

3）拱脚处最大主拉应力在5 MPa以内，位于拱肋与主梁相接部位下缘，应力流方向为垂直于拱轴线。

3.2 主附工况

拱脚处出现较大的集中应力，超过了规范规定的混凝土抗拉强度限值。故需要加强拱脚位置的配筋，并进行普通钢筋的钢筋应力和裂缝宽度检算。主附工况下应力云图如图5所示。

图5 主附工况作用下拱脚局部主应力云图

由图5可见：

1）混凝土主压应力与主力工况下相近，有较为明显的富余量。

2）拱脚处局部应力分析受控位置为拱肋与主梁相接位置下缘位置，最大主拉应力为6 MPa，垂直于拱轴线的剪力及弯矩为主要作用因素。

3.3 配筋检算

针对钢混结合处，即拱肋与拱脚接触位置的上下缘较为明显的应力集中，设计时，在此处加大受拉钢筋的配置，并予以检算。

参考相应铁路规范[4]，以钢筋混凝土截面受弯及偏心受压构件的裂缝宽度和钢筋应力为研究对象，对拱肋下缘集中应力区域进行截面配筋检算，见表2。

表2 各工况下拱脚配筋检算结果

表2中计算结果显示，拱脚位置钢筋的拉应力和混凝土裂缝宽度均满足规范要求。

4 结论

以某铁路56 m简支槽型梁拱组合结构为基础，建立了全桥实体有限元模型和拱脚局部精细化模型，分析了拱脚位置应力分布状态，采用并验证了在拱脚区域加大普通钢筋配置以改善应力集中问题。主要结论如下：

1）拱脚顺桥向大范围以受压为主，且主压应力存在较大的安全储备；拱脚位置钢混结合处和刚度突变位置容易出现应力集中现象。

2）拱肋与主梁相接位置下缘位置，主拉应力较为集中，应力流方向为垂直于拱轴线；相较于拱肋传递的轴向力，垂直于拱轴线的剪力及弯矩为主要作用因素。

3）通过加强拱脚局部的普通钢筋配置，可以有效改善该位置的应力状态。