客运专线刚架系杆拱桥受力状态研究

刚架系杆拱桥是在拱桥中出现的新桥型，其结构和受力特点是拱墩固结，不设支座，系杆独立于桥面系之外，桥面系为局部受力构件，仅承受桥面荷载，不参与结构整体受力；桥面系的荷载通过吊杆传递至拱肋，转化为拱肋内的轴向力；拱脚轴向力竖向分力由桥墩传递至基础，水平分力由桥墩间张拉的系杆力平衡。

刚架系杆拱桥是一种自平衡的桥梁，由于系杆的存在，降低了对下部结构和基础的要求；与连续梁、连续刚构和斜拉桥相比，它无需副跨，又能有较大的跨越能力，且施工快捷，桥面建筑高度小，对不良地质条件适应性好，因此在跨越铁路、公路和运河桥中，具有很强的竞争力。

目前国内对刚架系杆拱桥的应用与研究集中于公路桥梁上，如河南安阳文峰路立交桥、深圳北站大桥、四川成都青龙场立交桥、东莞大汾北水道桥等，尚未见铁路上的应用和研究。铁路桥的活载远大于公路桥梁，客运专线对桥梁刚度等的要求也远高于普通铁路和公路，因此，对客运专线刚架系杆拱桥的应用进行研究是有必要的。

墩拱节点处是刚架系杆拱桥的关键部位，该处拱肋、墩柱、桥面系等交织在一起，结构构造复杂；不仅要受拱肋传来的弯矩、轴力及系杆拉力作用，同时要承受桥面系传来的弯矩、剪力等作用，还要受桥墩处竖向反力的影响，受力情况十分复杂．由于构造和受力上的复杂性及不具普遍性，故对于墩拱节点的应力分析必须是具体桥梁具体分析。永修特大桥是昌九城际客运专线的重要桥梁，其主跨为128m刚架系杆拱桥，这是刚架系杆拱桥在铁路桥梁上的首次应用。墩拱节点是该桥的关键部位之一，包括墩、拱固结处和钢箱拱肋与混凝土的连接处，结构构造和受力情况都很复杂。

本文对永修特大桥128m刚架系杆拱桥作了全桥空间有限元分析、墩拱节点局部有限元分析和大比例缩尺模型试验，对刚架系杆拱桥的受力特性作了较为系统的研究。研究成果已应用于永修特大桥128m刚架系杆拱桥的设计，这种桥型在客运专线上的应用是完全可行的。1.结构简介

昌九城际间客运专线上的永修特大桥，位于江西省永修县境内，跨越修水河，其主桥为32.5m+128m+32.5m的下承式刚架系杆拱桥。该桥主拱拱肋采用等截面钢箱双肋 平行拱结构，钢材为Q345qD，拱肋中心距为15.6m，计算跨度为128m，矢跨比为1/4，拱肋轴线采用二次抛物线，如图1所示。主梁为等高单箱双室的预应力混凝土结构，采用分段现浇支架施工；全桥共设14道吊杆横梁，与箱梁等高；主桥设14对吊杆，每根吊杆钢索分别由55～127根直径为7mm 的镀锌高强度低松弛预应力钢丝组成；系杆采用 8根可换索式钢绞线，每根系杆由53根15.24mm镀锌涂油外包PE钢绞线，抗拉强度标准值为f一1860MPa。

352，353号主墩采用双柱式门形剐构墩，由矩形桥墩和矩形横梁组成。桥墩截面的纵向长度为5.0m，横向宽度为3.2m；矩形横梁的宽度为4.5m，中心高度为3.0m。桥墩横梁上方及横梁为预应力混凝土结构，采用C50混凝土。桥墩下方为钢筋混凝土结构。主桥的梁部支承在桥墩横梁上，横梁内设15.2mm钢绞线，两端张拉。图2为桥墩和横梁正面图。

拱座为变截面钢筋混凝土实心截面，钢箱拱肋与拱座混凝土交接面处设置厚度为50mm 的承压板(N8)，顺着钢箱拱肋的顶、底、腹板增设加劲肋，并通过$32mm的预应力螺纹钢筋的预应力使钢拱肋与混凝土紧密连接，预应力螺纹钢筋上端锚固于承压板上钢箱拱肋的上锚板(N6、N7)处，其下锚固于拱座混凝土处的预埋锚板(N16)处。在承压板下，连接有预埋钢板(N13、N14)与钢箱拱肋的顶、底、腹板及加劲肋板对应，预埋钢板上设置有+60mm的圆孔，内设+2smm 的普通钢筋穿过，形成PBL连接方式， 预埋钢板下端设置有长圆形孔，方便混凝土浇筑。在承压板(N8)上方至钢箱拱肋锚板(N6、N7)内，也灌注C50混凝土。图3为钢一混连接段钢结构图。 　　

2.全桥受力特性分析

全桥空间有限元分析模型见图4。分析模型中，钢箱拱肋、横撑、墩柱和支座横梁均采用空间梁单元；预应力混凝土单箱双室主梁采用空间板壳元；吊杆和系杆均采用杆单元；分析软件采用ANSYS．桥梁活载采用双线ZK活载，按照影响线进行最不利布置加载，考虑列车竖向动力作用。

2.1桥梁刚度分析双线最不利活载作用下，主梁中跨跨中的最大挠度为60.34mm，挠跨比为1/2121，小于规范规定的L/1200；边跨跨中的最大挠度为12.94mm，挠跨比为1/2512，小于规范规定的L/1500，刚度符合客运专线的要求。

2.2主梁受力特性分析

在恒载作用下，考虑施工过程，预应力混凝土主梁在顺桥向全部受压，最大压应力为9.1 MPa，发生在支座横梁外侧约 3 m 处； 大部分区域压应力在7MPa左右，在吊杆横梁与主梁相交处应力值有突变，从7MPa降至大约3MPa。在活载单独作用下，主梁的应力很小，顺桥向最大拉、压应力分别为1.58MPa，1.16MPa。在恒载和活载共同作用下，主梁没有出现拉应力，最大压应力为9.33MPa。

刚架系杆拱桥的预应力混凝土主梁由于和系杆分离，不受轴拉，其受力行为相当于弹性支承上的连续梁，较普通系杆拱桥有很大改善。

2.3拱肋受力特性分析

在恒载作用下，拱肋均受压，轴力从拱顶向拱脚逐渐增大，在钢箱拱肋与混凝土拱座相交的地方(即拱脚) 轴力最大。该区域是钢向混凝土的过度段，受力比较复杂。

恒载作用下拱肋顺桥向最大压应力不超过120MPa，大部分区域在80MPa左右。钢箱拱肋受力较均匀，只在拱肋与吊杆相交处应力发生突变，顶板应力变大，底板变小， 但变化幅度并不大。在活载单独作用下，拱肋的最大压应力为46.8MPa。恒载和活载共同作用下拱肋的最大压应力为153.8MPa，小于Q345qD钢材的容许应力。钢箱拱肋受力较均匀，其受力行为与普通系杆拱桥类似。3.墩拱节点局部有限元分析

对墩拱节点作精细的局部有限元分析。根据圣维南原理，拱墩连接处局部模型在墩柱、横梁和钢箱拱肋上的截取都应有足够长度。因此，将墩柱在承台上方截断，横梁在桥梁中心线处截断，钢箱拱肋在顺桥向距起拱点约8m处截断。

计算软件采用ANSYS，局部模型使用3种单元：混凝土采用实体单元solid92；钢板采用空间板壳shell43；预应力螺纹钢筋采用杆单元link8。由于结构中有足够多的剪力钉和PBL剪力连接件，模拟时忽略钢与混凝土之间的滑移。局部有限元模型共有174909个单元，227550个节点。局部有限元模型见图5。