高速铁路系杆拱桥结构体系设计参数研究 李小珍1 ，何赓馀1 ，刘德军1 ，陈列2 ( I 心南交通人学上术 = = 程学院，四川成都6 1 0 0 3 1 ：2 铁道第二二勘测设计院桥遂处，州川成都6 1 0 0 3 1 ) 摘要：系杆拱桥具有跨越能力人，建筑高度小等优点，柱已建商速铁路国家都得丫应用，但我国至今还没有在 商速铁路f ：实际建成火跨度钢系杆拱桥梁，设计中还有许多问题需要研究。本文以一座高速铁路大跨度钢系杆拱 桥为工程背景利用有限元程序分析了矢跨比、系梁和拱肋的刚度比、拱肋横向联结系的设鬣、吊杆布置形式、 桥面系对结构的力学特性的影响，同时还比较，小问吊杆布置形式下结构的地震响应情况，探讨了上述参数相对 较优的方案，为设计人员提出建议。 关键字： 系杆拱桥：矢跨比；刚度比；横向联结系；吊杆布置形式；桥面系 1 引言 系杆拱桥是由拱、系杆、吊杆和桥面系梁板等协同：I = 作的组合结构体系，以系杆( 梁) 承受拱脚的水平 推力为主要特征，是一种具有良好发展前景的火跨度桥梁形式。系杆拱桥型与其他的桥型比较，具有跨越 能力大，建筑高度小，美观经济等优点，在己建高速铁路国家都得了应用。特别是当高架线路斜交跨越城 市干道、高速公路等需要桥梁跨度较大，梁部结构建筑高度要求较小时，采用该桥型具有独特的优势。 我国至今还没有在高速铁路上实际建成大跨度钢系杆拱桥梁，设计中还有很多的技术问题需要进行深 入、全面的研究。本文以一座高速铁路大跨度钢系杆拱桥为i J ：程背景，利用有限元程序分析了矢跨比、系 梁和拱肋的刚度比、拱肋横向联结系的设置、吊杆布置形式、桥面系对结构的力学特性的影响，同时还比 较了不同吊杆布置形式下结构的地震响应情况，探讨了上述参数相对较优的方案，为设计人员提出建议。 该高速客运专线上的下承式钢系杆拱桥跨径为1 2 8 m ，采用二次抛物线拱轴线，欠跨比为1 5 3 ，拱肋 采用钢箱梁截面，截面高度为3 m ，按等截面布置，系梁采用钢箱梁截面，截面高度为3 5 m ，按等截面布 置，两片拱肋之间设7 道横撑，2 道K 撑：不设纵梁，将横梁加密，纵向间距采用3 m ，两端与主梁采用 栓接。桥面板分预制和现浇两部分，首先用预制板铺满横梁之间的空格，然后再浇注混凝士板之间的现浇 湿接头；吊杆采用：1 ：字钢，连接处采用栓接，桥面宽1 6 m ，双线，属刚性系杆( 梁) 刚性拱( 洛泽拱) 。 2 有限元分析模型 采用大型专业有限元软件按照实桥初步设计方案进行 建模。砼桥面板采用板单元，其余均采用梁簟元，边界条 件按实际约束给出，其计算模型见图l 。 3 计算结果与分析 3 I 矢跨比的影响 图1 有限元计算模型图 矢跨比是拱桥的一个重要特征参数，它不仅影响结 构的受力特性和施，I ：方法，同时对拱桥的1 3 身形态以及与周围环境相协调也有很人关系，因此，研究在不 同欠跨比条彳，tI - 结构的受力特性的变化规律以及提出合理的矢跨比建议，对系杆拱的设计是很有必要的。 + 罐企资助：铁道部科技开发汁划重火课题( 2 0 0 4 G 0 1 4 ) 作青简介：+ 李小珍( 1 9 7 0 ) 。男，湖南人，教授博I j ，卜要从警桥梁结构动力学、乍桥耦合振动办J I 的研究( E m a i l ：x z h l i h o m e s w j t u e d u ，o n ) 何艘馀( 1 9 7 8 ) 劈旧J 1 1 人，硕1 - 卜篮从申桥梁结构行为方I l I i 的研究 刘德! ( 1 9 7 7 ) ，男pq J l l 人，博I j 乍，1 i 丝从事桥梁结构礼：为、下桥耦余振动办l ；I f 的研究 陈列( 1 9 6 3 ) 男，浙汀人教授级赢T I i 篮从啦桥梁T 氍改计乃锄f 的研究 I I I 0 3 0 在此项分析中，保持其他条件不变的情况下，矢跨比取值从1 5 变化到1 1 6 ，建立1 0 个子模型。 荷载j i ：况：取Z K 活载1 3 】( 双线) 按最不利位置布置。 图2 是在整理了各个模型计算结果之后得到关键截面部分内力变化图：( 注：为了方便进行比较，作 图时统一用矢跨比为1 5 时的内力值对各数据进行单位化) 随着欠跨比的减小，拱肋的轴压力是不断增大的，跨中( L 2 处) 、L 4 处、拱脚处的轴压力的增幅基 本相同；随着欠跨比的减小，拱肋拱脚处的弯矩基本不变，拱肋L 4 处和跨中的弯矩都是增大的，尤其以 L ，4 处的变化最为明显，弯矩增加到了初值3 倍左右。 随着欠跨比的减小。系粱的轴压力变化情况与拱肋的基本相同；随着矢跨比的减小，系梁拱脚处的弯 矩基本不变，系梁L 4 处和跨中的弯矩都是增火的，以L 4 处的变化最为明显。 矢跨比过小，不利丁：施：1 ：和结构的稳定性，矢跨比过人则造成拱肋当中弯矩偏人，不符合拱结构主要 受压的特点，同时也系梁中的拉力也偏大，给施J ：带来麻烦。过大或过小的矢跨比，在视觉上也不协调。 综合各种因素来看，矢跨比取到l 5 左右是较为恰当的，这也是实际拱桥设计中常采用的矢跨比取值。 2 0 1 8 1 6 1 4 1 2 R1 0 暴08 O 6 0 4 0 2 O O i si s 2J S 4I 5 6J s 8I 6 矢跨比 ( a ) 拱肋轴力变化对比图 t 5l 5 2i s 41 5 6 l 5 8 I 6 矢跨比 l 5Z S 2 I 5 41 5 6 l 5 8I 6 矢跨比 ( b ) 系梁轴力变化对比图 t 5I 5 2I 5 4I s 6I s 8t 6 矢跨比 ( c ) 拱肋弯矩变化对比图 ( d ) 系梁弯矩变化对比图 图2 结构内力与矢跨比关系图 4 2 系梁和拱肋的刚度比的影响 随着九的不同( 注：护( E I ) 肋( E 1 ) 系) ，结构体系受力特点会发生很大的变化，而实际设计时 对拱肋与系杆的刚度比选取的范围总希望有一个相对的基点可作参照，在较小的范围内取值，因此，研究 系杆拱结构在不同刚度比条件下的受力特性变化规律并对恰当刚度比取值提出合理建议，是具有很大的必 要性和现实意义的，文献【2 】探讨了中等跨径预应力混凝土刚性系杆拱桥的系杆与拱肋的刚度比合理取值， 其分析方法是可以借鉴的。 在此项分析中，保持其他条件不变的情况。F ，九取值从I 1 0 变化到1 0 I ，建立2 0 个子模型。 荷载：况：取Z K 活载( 双线) 按最不利位置布置。 通过对结算结果的分析发现，当九变化时，结构的内力会发生明显的变化。与弯矩相比，结构的轴力 变化幅度很小，或者说结构的弯矩对九变化很敏感。 受九变化影响，拱脚处的弯矩最终都增大到初值5 倍左右；拱肋L ，2 处弯矩变化较入，增加到初值2 0 1 1 1 0 3 I 媳 堙 ； R 暴 5 d 3 2 l O 壤龄 倍左右，系梁L 2 处弯矩则略有减小；拱肋L 4 处弯矩变化最大，达到了初值5 0 倍，系梁L 4 处弯矩略有 增加。总的来看拱肋弯矩要比系梁弯矩对九变化敏感。 可以明显发现内力变化图线在护1 2 前后斜率发生很大变化，内力值之前基本不变，之后迅速增加。 从系梁跨中挠度变化图线( 本文限于篇幅原因未给出) 情况看，最终是有所减小的，这说明结构的整 体刚度有所提高，同样，系梁跨中挠度变化图线在扣1 ：2 前后斜率发生很大变化，挠度之前基本不变，之 后迅速增加，这也进一步印证了前面的结论。 拱肋为受压构何二，理论上应使其弯矩越小越好，但从构造上看，系杆与拱肋刚度比取得过小或过大时， 构造均不易处理。九取值在1 2 左右时，可以明显的减小拱肋中的弯矩，使其符合梁拱组合体系桥梁的受 力特点_ 拱肋受压，系梁受拉”，而此时系梁跨中的挠度也得到相对较优的取值，同时在构造上更加合理。 l 0 0 O 9 8 杂0 9 6 撂 0 9 4 0 9 2 0 9 0 3 0 2 0 1 0 O 墩一1 0 静 - 2 0 - 3 0 - 4 0 - 5 0 l 1 0 l 8l 61 41 2 24681 0 刚度比 ( a ) 拱肋轴力变化对比图 1 1 0 1 81 61 41 2 24681 0 刚度比 1 0 5 1 0 0 0 9 5 R0 9 0 暴 0 8 5 0 8 0 0 7 5 1 1 0 1 81 6t 4 1 224681 0 刚度比 ( b ) 系梁轴力变化对比图 1 1 0 1 81 61 41 224681 0 刚度比 ( c ) 拱肋弯矩变化对比图 ( d ) 系梁芎矩变化对比图 图3 结构内力与刚度比关系图 4 3 拱肋横向连接系的布置 随着拱桥跨度的增大，拱肋的轴压力变得非常大，结构的稳定性问题相当突出，如果拱的侧向刚度相对较 小，当荷载达到一定临界值时，拱可能先离开其受载的平面向空间弯扭形式的平衡状态过渡，即发生拱的侧倾 或侧屈。横向连接系的数量、布置位置、样式对拱桥的稳定起到比较重要的作用，因此考虑以上因素，并 结合考虑施工条件、经济性、美观性来确定横向连接系的布置形式是很有必要的。 计算结果表明：由于洛泽拱的拱肋和系梁的面内刚度都较大，因此不易发生面内失稳的情况，结构的 失稳形式主要是面外失稳。由于桥面系自身刚度较大，故失稳的主要表现是拱肋屈曲。 横撑的形式对拱的稳定有非常大的影响，从无横撑布置与后面的方案对比中可以发现，合理的横撑布 置可以让结构的稳定性有十分明显的提高，这是由于横撑的存在有效减小了拱肋计算长度【5 】。 通过对各方案的具体失稳形态的观察可以发现，跨中部分拱肋的变形比较大，从方案1 到方案3 ，在 跨中部分布置了横撑之后，结构的稳定系数提高了一倍多，相反在靠近拱脚位置布置横撑贝U 效果要差得多。 这是由于，在靠近拱脚处有强大的端横梁的存在，相当于对拱肋起到了一定“钳制”作用，因此越靠近拱脚处 两片拱肋整体联系越强的。越靠近跨中越弱，稳定性越差。 4 4 不同的吊杆布置形式的影响、 0 3 2 5 4 3 2 ， O 墩舯 系杆、拱肋和吊杆组成系杆拱的立面构造，系杆和拱肋是主要承重构造，而吊杆则是两者之间的传力构 f l - , 实际J ：程中竖( 垂直) 吊杆型式比较常见，但也有斜的，还有布置成网状的。具有斜吊杆的无推力组合体系 义称尼尔森体系。 以下在其他条件不变的情况下对三种吊杆布置形式的结构分别进行建摸分析，为了方便分析，排除干 扰因素，分析中模型吊杆截面统一采用原设计方案中1 , 6 ，7 吊杆的截面，吊杆两端采用固结，模型图见下： ( a ) 竖吊杆布置( b ) 斜吊杆布黄( c ) 网状吊杆布置 图5 有限元模型图( 不同吊杆) 以下是由计算得到的三种吊杆布置形式下结构关键截面处的部分内力影响线对比图，因本文篇幅有限， 只给出了弯矩的影响线对比图。 变化图线表明，对于洛泽拱体系，采用竖吊杆布置形式拱肋的轴力峰值要略低于采用斜吊杆和网状吊 杆得到的轴力峰值：采用竖吊杆布置形式拱肋的弯矩峰值要除在拱脚处低于采用斜吊杆和网状吊杆得到的 弯矩峰值外，在L 4 和L 2 处都要远远高后二者。 采用竖吊杆布置形式系梁的轴力峰值要略低于采用斜吊杆和网状吊杆得到的轴力峰值：采用竖吊杆布 置形式系梁的弯矩峰值要除在拱脚处低于采用斜吊杆和网状吊杆得到的弯矩峰值外，在I , 4 和L 2 处都要 高于后二者。 从挠度的角度讲，三种情况下系梁挠度影响线的峰值相差不大，但是竖吊杆情况下系梁挠度影响线有 正有负，而斜吊杆和网状吊杆条件下得挠度始终为负，上述结论也同文献l E7 8 l 相关结论基本一致。 02 04 0 6 0 8 01 0 01 2 0 ( a ) 拱脚处弯矩影响线对