大跨度系杆拱桥拱梁墩交汇段模型试验研究.pdf

NO.3(Ser.294)JOURNALOFRAILWAYENGINEERINGSOCIETYMar2023报程学道铁2023年3月第3期（总2 94)文章编号：1 0 0 6-2 1 0 6(2 0 2 3)0 3-0 0 39-0 6大跨度系杆拱桥拱梁墩交汇段模型试验研究王朝米米（中铁大桥科学研究院有限公司，武汉430 0 34）摘要：研究目的：宜宾金沙江公铁两用大桥是成贵线重要控制性工程之一，为公铁两用双层刚架系杆拱桥。本文的研究对象为该桥主拱、立柱、下横梁及桥墩的交汇区域，该交汇段具有受力荷载多、荷载大、受力方向各异等特点，且存在明显的应力集中区域。通过模型试验测试结果与有限元对比分析，对结构的安全性进行评估，并对设计建造提出合理化建议。研究结论：（1）对交汇段进行了细部有限元分析，并设计制作了1：6 的缩尺模型，测试模型在最不利荷载工况下的应力分布与结构变形等受力特性，以及在超载工况下的承载能力，结果表明结构设计合理，具备一定的安全储备；（2）建议在交汇段受拉区增设抗裂钢筋、加强钢混结合面下的混凝土振捣、严格控制钢拱肋与混凝土拱座间锚杆张拉力等措施来提高施工建造质量；（3）本研究结果可为同类型系杆拱桥的施工建造提供借鉴与参考。关键词：系杆拱桥；交汇段；有限元；应力集中；模型试验中图分类号：U24文献标识码：AResearch on the Model Tests of Intersection Section of Arch,Beam and Pierof Large-span Tied Arch BridgeWANGChao(China Railway Bridge Science Research Institute Ltd,Wuhan,Hubei 430034,China)Abstract:Research purposes:Yibin Jinsha River highway-railway dual-purpose bridge is one of the importantcontrol projects of Chengdu-Guiyang line,as a highway-railway double-deck rigid frame tied arch bridge.The studyobject of this paper is the intersection region of the main arch,column,beam and pier of the bridge,the intersectionsection has the characteristics of many loads,large loads,different stress directions,and there are obvious stressconcentration region.Through the comparative analysis of model test results and finite element analysis,the safety of thestructure is evaluated,and reasonable suggestions for the design and construction are put forward,which providesreference for the design and construction of this kind of bridge.Research conclusions:(1)The detailed finite element analysis of the intersection section is carried out,and a 1:6scale model is designed and made to test the stress distribution,structural deformation and other stress characteristics ofthe model under the most unfavorable load conditions,as well as the bearing capacity under overload conditions.Theresults show that the structural design is reasonable and has a certain safety reserve.(2)It is suggested to add crackresistant reinforcement in the tensile area of the intersection section,strengthen the concrete vibration under the steel-concrete joint surface,and strictly control the bolt tension between the steel arch rib and the concrete arch seat toimprove the construction quality.(3)The research results can provide reference for the construction of tied arch bridgesof the same type.*收稿日期：2 0 2 1-1 1-1 5*作者简介：王朝，1 98 3年出生，男，高级工程师。2023年3月报程学道铁40Key words:tied arch bridge;intersection;finite element;stress concentration;model test1概述宜宾金沙江公铁两用大桥是成贵线重要控制性工程之一，为公铁两用双层刚架系杆拱桥，其主桥跨径布置为（1 1 6+1 2 0+336+1 2 0+1 1 6）m，其中336 m主跨拱轴线为抛物线，矢跨比为1/3.36。拱肋采用钢箱结构，横向为两片平行布置，拱肋中心线间距2 8.5m。本桥构造的受力特点为：以拱受力为主，梁节间荷载通过吊杆传递至拱肋，转化为拱肋的轴向力，拱脚轴向力的竖直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，主梁仅承受节间荷载和桥面系荷载。主桥设计图如图1 所示。33600000018.00Q300001712.000=204000300001800Q18005000001桥墩中心线图1主拱平面布置图（单位：mm）本桥拱梁墩交汇处由钢箱拱肋、纵向钢梁、桥墩、系杆、横梁相交而成，混凝土拱座上与钢箱拱结合，下与混凝土墩刚结，还要考虑边拱拱肋、系杆锚固、纵向钢梁的局部构造。在拱梁墩交汇处，上部会存在一个钢、混凝土结构的内力传递与衔接问题，下部拱墩刚结位置结构突变，加上系杆强大的作用力，会出现较明显的应力集中 。因此，拱梁墩交汇处构造和受力非常复杂2】。另外，本桥属于公铁合建桥梁，荷载大，主孔恒载和活载均从该处传至地基，既要保证结构安全，还需满足高速铁路的刚度要求，国内外均无可借鉴的经验。为确保拱梁墩交汇段的结构安全可靠，优化该部位的构造细节，非常有必要对拱梁墩交汇段进行模型试验和空间应力状态分析，研究拱梁墩交汇段、拱脚钢混接头等处在最不利荷载组合下的应力场、受力状态、承载能力和安全性，进而对拱梁墩交汇段设计的合理性和安全性进行评估和建议32有限元分析2.1拱梁墩交汇段有限元分析金沙江大桥拱梁墩交汇段建模中，钢拱肋与混凝土结合面处截断，立柱高度根据圣维南原理取在过渡面以上2 m处，横梁宽度根据对称原理取在道路中心面处,墩部高度涵盖一个完整的空心段。模型用solid45体单元模拟,采用缺省的线性本构关系。立柱和横梁及拱梁墩交汇段为C50混凝土，墩身为C40混凝土，弹性模量E分别为3.451 0*MPa和3.2 51 0*MPa，泊松比为0.1 6 7。模型在墩底处采用固结约束，在横梁中心处采用对称约束，立柱断开处采用均布荷载的形式施加，拱肋荷载则将各施工工况的控制内力均匀施加到拱肋断开截面上，计算模型如图2 所示。(a）整体结构模型(b）局部模型网格图2拱梁墩交汇段计算模型为了分析拱梁墩交汇段在施工和运营各阶段的总体应力、变形的分布情况及承载能力和安全性，根据全桥计算结果，拱梁墩交汇段计算分别考虑了结构在恒载阶段、恒载+汽车（列车）活载阶段、运营阶段等不同阶段下的各最不利荷载组合，其中后两个阶段荷载分别包括了拱梁墩交汇段的最大轴力、最小轴力、最大弯矩、最小弯矩、最大剪力及最小剪力六种最不利情况。在不同阶段下各工况组合下的计算都以上述六个最不利荷载组合作为基本，各活载作用效应的分项系数都取为朝：大跨度系杆拱桥拱梁墩汇段模型试验研究第3期411.0。另外,在立柱、横梁支座和拱肋等位置上的内力或反力取值，则采用对拱梁墩交汇段受力最为不利的原则确定，立柱荷载包括立柱自重30 7 8 0 kN和上横梁铁路支座反力1 0 50 kN与4531 kN，合计36 36 1 kN；单侧下横梁包括两个支座，荷载分别为1 436 kN与96 1 8 3kN。对以上各阶段的每种内力组合分别进行了计算，结果表明：第一，结构在恒载工况下基本处于受压状态，主压应力在0.3-9.6 MPa之间，但在拱肋与立柱连接位置局部区域、横梁与立柱连接位置局部区域、拱肋与横梁连接位置局部区域均出现了不同程度的拉应力集中情况，最大拉应力值约为5.8 MPa，应力集中影响立柱约1 m;另外结构剪应力在-2.8 2.7 MPa之间,应力较大位置分布在拱肋与横梁、立柱的连接位置局部区域。第二，结构在恒载+车辆活载工况下受力情况与恒载工况基本相似，结构处于受压状态，在拱肋与立柱、横梁连接位置局部区域出现拉应力集中。结构在该工况中最大弯矩和最大剪力情况下，处于最不利受力状态，主压应力在0.5-9.6 MPa之间,结构主拉应力在-5.2 7.0 MPa之间，应力集中影响立柱约1.5m深度，而剪应力在-3.0 3.4MPa之间，均比恒载工况要大。第三，结构在运营阶段各工况下受力情况有较大不同，其中在最大弯矩工况和最大剪力工况下受力最为不利；在这两个工况作用下，结构主压应力都在0.7-10.4MPa之间，压应力较大位置除了出现在横梁支座放置位置、系杆作用位置外，主墩靠近边拱侧也相对较大；受正弯矩的作用，墩身两侧压应力分布非常不均，靠近边拱侧的墩身最大竖向拉应力已达1 MPa，且墩身处于受拉状态下的厚度在0.5m以上；结构主拉应力在-5.2 8.9MPa之间,拉应力集中影响立柱约2m深度以上；结构剪应力在-3.0 4.6 MPa之间，应力较大位置也基本分布在拱肋与横梁、立柱的连接位置局部区域。相比而言，最大弯矩工况下的主拉应力极值与分布区域较其他工况下要大，因此运营阶段下最大弯矩工况应该为结构受力的最不利工况。2.2钢混接头有限元分析实桥混凝土结合面尺寸为42 50 1 1 0 0 0 mm，承压板平面尺寸为40 0 0 1 0 0 0 0 mm，在承压板边缘处布置了1 44根锚杆，其中钢箱外侧7 4根，钢箱内侧7 0 根，考虑锚杆的间距以及混凝土界面的抗拉能力，锚杆在混凝土内部的锚固采用分两层锚固的形式，第一层锚固在距结合面5950 mm处，第二层锚固在距结合面7950mm处。根据实桥设计螺杆尺寸，螺杆直径为56mm，最小间距为2 7 5mm，单根锚杆的设计张拉力为6 0 0 kN。拱脚钢混接头建模中，主要采用体单元模拟，钢拱肋采用双线性随动强化本构模型。模型在混凝土拱肋端采用固结约束，在钢拱肋端进行加载。加载方法是在钢拱肋端部建立mass21单元,并把该单元与截面所有节点形成约束方程，然后在mass单元上施加荷载，以保证荷载能够均匀地施加到截面上；并通过对结合面与双层锚固面上的节点施加均布面荷载的方式，施加双层锚杆的预拉力。计算模型如图3所示，分别计算了结合面处最大轴力、最大弯矩与最大剪力三种最不利工况的应力情况。钢混结合面最不利工况荷载组合如表1 所示。ELERDITSMATNU2jubuchongys(a）整体结构模型ELERENTSRATNUKNOTC.AA7E+O1338+0-1008409jubuohengye(b）模型加载图式（单位：Pa)图3拱脚钢混接头计算模型表1钢混结合面最不利工况荷载组合钢混结合面最不利工况内力剪力/kN轴力/kN弯矩/(kNm)锚杆力/kN最大轴力6250-102 646152 491最大弯矩13430-124010416 231-86.400最大剪力13939-124 770401 227注：该表最大轴力工况中，轴力表示压力最大根据各最不利工况的拱座内力值，分别计算出接头钢结构与混凝土结构的应力及变形情况。针对本桥拱脚钢混接头，计算分析了结构在运营阶段最大轴力、最大弯矩及最大剪力工况下的受力性能，结果表明：2023年3 月程道铁报学42第一，由于最大弯矩相比其他工况，轴力和剪力相当，但是弯矩最大，因此该工况下结构受力最为不利。第二，钢混接头混凝土结构主要受压，除了与钢拱肋底板对应的混凝土局部区域出现应力集中外，主压应力在0 -2 3MPa之间，而应力集中影响深度约为0.2m;混凝土侧面边缘出现轻微受拉，但混凝土受拉区域面积并不大，拉应力数值基本都在1 MPa以内；混凝土主拉应力在-9.4 3.3MPa之间，但应力幅值下降较快，影响深度较浅，在0.2 m剖面，第一主应力为1.4 MPa。第三,钢混接头钢拱肋主要受压，主压应力在0-150MPa之间；在底板加劲肋底部出现应力较大，但区域面积小。第四，拱脚钢混接头变形主要表现为压缩，由于结构除了承受较大轴力外，还承受正弯矩，使得钢拱肋底板、腹板底部及其对应的混凝土部位变形大。总之，通过有限元计算及结构初步分析，金沙江公铁两用桥拱脚钢混接头在设计荷载作用下，受力性能良好、安全可靠，从而表明该钢混接头结构形式的设计是合理的。3模型试验考虑到实桥该范围规模巨大，模型的比例选取需充分考虑模型试验的基本要求、试验设备加载能力、模型制作及安装、经济性等，决定采用1：6 模型比例4。通过有限元计算及综合性分析，钢拱肋1 倍截面长度以上、立柱过渡面以上、墩部空心截面及以下、横梁与墩相交面以外的应力均较小且分布较为均匀，故模型截取方式定为：钢拱肋高度取为1.2 倍横截面长度（考虑偏心加载的局部效应）、立柱从过渡面处截断、横梁从与墩的交界面处截断、墩下部从空心段开始处截断5.6 ，现场加载情况如图4所示。按相似理论，模型与实桥物理量的相似关系如表2 所示，通过混凝土试块试验，表明混凝土强度与弹性模量与设计值具有较好的吻合度。表2模型与实桥物理量相似关系主要1:6模型主要1:6模型物理量各参数相似比物理量各参数相似比长度Lm/L,=1/6力Nm/N,=1/36宽度Lm/L,=1/6弹性模量Em/E,=1高度hm/h,=1/6应变8m/e,=1惯性模量Im/l,=1/1 296应力0m/o,=1弯矩Mm/M,=1/216位移0m/u,=1/6mPP在最大弯矩工况荷载组合下，结构第一主应力极值和应力集中区域较其他工况都要大。此外，拱肋作图4模型试验现场加载为主要承受压力的构件，最不利轴力工况下的轴力较其他工况大。因此，选最大弯矩工况和最不利轴力工况为本次试验工况7 。两种工况下，实桥及换算到模型各部位的内力及反力值如表3、表4所示。表3最不利弯矩工况及模型各位置内力值模型设计1.4倍设计各部位内力实桥内力荷载荷载剪力/kN13 430373522拱肋位置轴力/kN-124 010-3 445-4 823荷载组合弯矩/(kNm)416 23119272.698系杆力/kN-80 176-2 227-3118副拱支座压力/kN96 1832.6723.741立柱/kN36 36110101414表4最最不利轴力工况及模型各位置内力值模型设计1.4倍设计各部位内力实桥内力荷载荷载剪力/kN-1315-37-52拱肋位置轴力/kN152.680-4 2415937荷载组合弯矩/(kNm)-1224-6-8系杆力/kN-88 574-2.460-3444副拱支座压力/kN96 1832.6723.741立柱/kN36 3611 0101.414拱梁墩交汇段主要承受的荷载为系杆力、主拱压力、副拱支座压力及立柱荷载加载，模型也对这些力分别进行施加。其中，主拱座压力由剪力墙提供反力，用千斤顶斜向加载，加载面为钢拱肋端面；系杆力采用精轧螺纹钢锚固于剪力墙进行张拉的方法进行施加；副拱支座压力及立柱荷载为竖向压力，利用精轧螺纹钢和门式框架锚固于反力台座的方式来提供反力，用千斤顶进行加载。根据试验目的、内容及有限元仿真分析结果，对模型进行针对性的应力测点布置。在拱肋与立柱、拱肋与横梁等连接部位出现主拉应力集中，因此布置测点时，在其连接线两侧密布应变花。此外，为测试拱肋钢混结合段的应力传递情况，分别在承压板两侧的钢拱朝：大跨度系杆拱桥拱梁墩交汇段模型试验研究第3期43肋和混凝土拱座选取几个代表性的断面进行布点，由于拱肋主要承受轴力，因此该部位测点布置采用单向应变片；同时，在拱肋倒角位置、支座附近的结构突变位置也将布置应变花，测试其受力情况，以便与数值计算进行比较,对计算结果进行校核8 。O4试验结果通过对金沙江公铁两用桥拱梁墩结合部模型进行试验加载，总结在最不利弯矩工况及最不利轴力工况下的设计荷载及超载的测试结果，得到以下结论：第一，模型试验过程中，特别是在超载加载系数达1.4的加载下，未出现混凝土结构宏观开裂、钢结构屈曲、结构位移突然增大等结构破坏迹象，钢结构的应力水平小于Q370qE钢的容许应力，混凝土结构的应力水平小于C50混凝土的极限强度，表明结构有较大的强度、刚度和承载能力。第二，在拱座最不利弯矩和最不利轴力工况设计荷载及超载加载下，模型混凝土结构和钢结构大多数测点的实测应力应变值与计算值一致，其中设计荷载最不利弯矩工况下的应力校验如图5所示，表明试验模型对理论模型进行了很好地模拟，试验能够反映结构的真实受力状况。第三，最大弯矩工况下混凝土最大压应力为1 3MPa，受拉区主拉应力最大值为3.7 MPa，最大轴力工况下混凝土最大压应力为9MPa，受拉区主拉应力最大值为1.7 2 MPa，且卸载后回零值良好。第四，在1.2 倍最不利轴力设计荷载组合下，钢结构最大压应力达1 2 5.4MPa，出现在钢拱肋正面中部位置；混凝土最大压应力为9.8 MPa，出现在钢拱肋与混凝土拱座结合面中部。在1.4倍最不利弯矩设计荷载组合下，钢结构最大压应力达2 0 4.8 MPa，出现在钢拱肋侧面下部接近结合面位置；混凝土最大压应力为12.1MPa,出现在混凝土拱座结合面下缘。在交线应力集中区及下方应力较小区外，应力、应变实测值较计算值略小。第五，钢拱肋与混凝土拱座在张拉锚杆的作用下，形成良好的整体而共同工作；超载工况下，最大位移发生在钢拱肋上，水平最大位移为5.4mm，卸载后回零值良好。5结论通过设计荷载下有限元分析结果与试验结果的对比分析，以及超载工况下的试验结果分析可知，金沙江公铁两用桥拱梁墩交汇段结构设计合理，具有一定的安全储备。8注：一一测试值；6一计算值4200.20.40.60.81.01.21.4离支座面垂直距离/m（a）混凝土结合部位主拉应力250200150100注：一一测试值；一计算值5000.20.40.60.81.01.2离支座面垂直距离/m(b）钢拱肋主压应力图5设计荷载最不利弯矩工况下应力校验在总结金沙江公铁两用桥拱梁墩交汇段各最不利工况有限元分析结果，以及交汇段模型制作及试验结果的基础上，提出以下建议，并为同类型系杆拱桥提供工程参考：（1）金沙江公铁两用桥拱梁墩交汇段受力薄弱区域之一在拱座、立柱及横梁的交界处，为力流的交汇区，由于应力集中，该区域局部有一定的拉应力，建议在这些拉应力较大的区域，注意防裂钢筋的布置，适当加强横梁与拱肋连接区域的横桥向配筋，适当减缓混凝土倒角的过渡，以降低应力集中带来的影响，增强其抗裂性能。(2)在模型的制作过程中发现，由于混凝土结构钢筋布置较密集给混凝土的浇筑与振捣带来了一定的难度，建议在拱梁墩交汇段的实际施工过程中，尤其是系杆锚下的钢筋密集区，以及钢拱座与混凝土结合面下部的混凝土区，必须采取措施，加强混凝土的振捣等，保证混凝土浇筑密实度，从而保证浇筑质量和结构能够有效地参与受力。（3）钢拱肋与混凝土拱座间的张拉锚杆是保证钢与混凝土连接为一个有机整体的重要构件，用以抵抗钢拱座传递的不平衡弯矩与剪力，因此对其实际张拉力的控制是一个重要环节，在实际张拉施工过程中也应采取有效的手段来控制锚杆张拉力，以确保张拉过From P.38)上接第38 页2023年3月报程铁学道44程的安全性及实桥受力的准确性。参考文献：1张双洋，赵人达，贾毅，等.大跨度高速铁路劲性骨架混凝土拱桥模型试验研究J.西南交通大学学报，2 0 1 7(12):1088-1096.Zhang 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