高速铁路大跨提篮拱桥的静力刚度及模型试验研究

高速铁路大跨提篮拱桥的静力

刚度及模型试验研究

田学民,李　乔,张清华

(西南交通大学土木工程学院,四川成都610031)

摘　要:以一座高速铁路大跨度钢管混凝土提篮拱桥及其全桥模型试验为工程背景,对在分

布力、集中力、活载作用下不同吊杆体系以及不同拱肋布置方式的拱桥的变形规律进行了研究和比较分析,并且对结构的自振特性进行了研究,探讨了吊杆体系和拱肋布置方式对拱桥静力刚度和动力性能的影响。结合全桥模型试验评价了提篮式拱桥的刚度,对理论分析的结果进行了验证。

关键词:拱桥;系杆拱;尼尔森体系;提篮拱;刚度;模型试验中图分类号:U448.22

文献标识码:A

Study on Static Stiffness and Model T est of Long 2span X 2style Tied Arch B ridge in H igh 2speed R ail w ay

TIAN Xue 2min ,LI Qiao ,ZHANG Qing 2hua

(Department of Bridge and S tructure Engineering ,S outhwest Jiaotong University ,Chengdu 610031,China )

Abstract :T aking a long 2span concrete 2filled steel tube arch bridge in high 2speed railway and its m odel test as an engineering background ,the deformation regularities of arch bridges with different hanger and arch rib system were studied and com pared under the force system when distributed load ,concentrated load ,living load ,eccentric load were w orking.The characteristics of natural vibration of different 2style arch bridges were analyzed.The in fluence of different hanger and arch rib system on structural stiffness and dynamic performance was als o discussed.Verification research was carried out on the basis of integrating outcomes of m odel test and theoretical analysis.

K ey w ords :arch bridge ;tie bar arch ;Nielsen style ;X 2style arch bridge ;siffness ;m odel test

收稿日期:2002-03-22

基金项目:铁道部科技研究开发计划项目(99G 34)

作者简介:田学民(1972-),男,博士研究生,1996年毕业于兰州铁道学院土木系桥梁与隧道工程专业,工学学士,1999年毕业于兰州铁道学院土木系桥梁与隧道工程专业,工学硕士,现为西南交通大学桥梁与隧道工程专业博士研究生。

1　前　言

自1990年在四川省旺苍县建成我国第一座大

跨度钢管混凝土拱桥以来,已建和在建的钢管混凝土拱桥已近百余座。就下承式钢管混凝土拱桥而言,拱肋和吊杆的不同布置方式均可以组成不同的结构形式,但是国内文献缺乏对这些不同结构形式应用在高速铁路这一特定领域受力特性的研究。因此,系统分析并比较尼尔森体系拱桥(交叉吊杆)和洛泽体系拱桥(竖向平行吊杆),平行拱肋拱桥和提篮式拱桥的不同受力特性,探讨何种结构能够更好

地满足高速铁路桥梁的要求,无疑具有重要的理论意义和实践意义。2　工程背景

处于设计阶段的某桥为京沪高速铁路线上一座下承式钢管混凝土提篮式系杆拱桥,其主跨计算跨径达112m ,是国内第一次在高速铁路上采用大跨度钢管混凝土拱桥。该桥主拱采用悬链线线形,矢跨比取用f Πl =1Π5,拱轴系数m =1.347;拱肋采用哑铃形钢管混凝土截面,截面高度为3.0m ,按等截

系统分析并比较了尼尔森体系拱和洛泽体系拱桥、平行拱肋拱桥和提篮式拱桥的不同受力特性,并对何种结构能够更好地满足高速铁路桥梁的要求进行了探讨。

3　计算分析

平面分析采用西南交通大学编制的《桥梁结构分析系统BS AS for Windows》,空间分析采用通用有限元程序ANSY S并用A LG OR进行校核。分别建立了与设计资料一致的尼尔森体系提篮拱、仅改变吊杆布置方式所形成的洛泽式提篮拱、仅改变拱肋的布置方式所形成的洛泽和尼尔森体系平行拱4个有限元分析模型,对不同拱肋布置方式的尼尔森体系拱和洛泽拱进行分析比较。根据文献[1]的分析结果,计算分析中将钢管混凝土弹性模量按换算弹性模量和按组合弹性模量进行模拟,所得到的分析结果的差异微乎其微。本文分析中对钢管混凝土弹性模量按换算弹性模量进行处理。图1、图2分别为尼尔森体系拱和洛泽拱的平面有限元计算模型。　　　　

图1　试验模型(尼尔森体系拱)有限元计算模型

图2　洛泽拱有限元计算模型

3.1　均布力作用下的变形

在桥面上施加10kNΠm的均布力,4种不同形式拱桥主要截面的挠度见表1。竖向位移以向上为正。

表1　均布力作用下提篮拱和平行拱的挠度mm

拱　　肋主　　梁

lΠ4拱顶lΠ4跨中提篮拱交叉吊杆-4.3-5.7-11.1-11.6

平行吊杆-4.3-6.3-9.7-13.0平行拱交叉吊杆-4.3-5.6-10.6-11.0

平行吊杆-4.3-6.3-9.2-12.3　　可以看出,吊杆交叉布置的拱桥,无论是拱肋还是系梁,其竖向挠度沿纵桥向的变化率均小于吊杆平行布置的拱桥,桥面位移更加匀顺。拱肋内倾与否对挠度的影响较小。

3.2　集中力作用下的挠度

在主梁跨中施加10kN的集中力,4种不同形式拱桥主要截面的挠度见表2。

表2　集中力作用下提篮拱和平行拱的挠度mm

拱　　肋主　　梁

lΠ4拱顶lΠ4跨中提篮拱交叉吊杆-0.004-0.014-0.010-0.025平行吊杆-0.003-0.019-0.009-0.033平行拱交叉吊杆-0.004-0.014-0.010-0.024平行吊杆-0.003-0.019-0.008-0.032

　　从表2中同样可以看出,在集中荷载作用下吊杆交叉布置的拱桥其竖向挠度沿纵桥向变化均小于吊杆平行布置的拱桥,说明吊杆交叉布置可使结构竖向刚度增大。在相同吊杆布置情况下,拱肋内倾与否对竖向刚度的影响很小。

3.3　影响线

图3为洛泽拱和尼尔森拱几个主要截面的挠度影响线,其中实线为洛泽拱,虚线为尼尔森拱。

从挠度影响线可以看出:保持其余条件完全相同,尼尔森拱各主要控制截面在相同的活载作用下的挠度远小于洛泽拱,其原因是由于斜杆的存在大大地减少了结构的剪切变形。尼尔森体系拱的竖向刚度与洛泽拱相比有了显著的提高,并且刚度的提

图3　

洛泽拱和尼尔森拱的主要截面的拱度影响线

图4　提篮拱和平行拱的主要截面的挠度影响线

高可以在保持拱肋和主梁的截面不变的条件下,

仅通过改变吊杆的布置方式实现,具有较好的经济性。

尼尔森体系提篮拱和尼尔森体系平行拱的主梁跨中与拱顶挠度的影响线见图4。图中实线为平行拱,虚线为提篮拱。

提篮拱与平行拱在吊杆布置方式相同时,主梁跨中和拱顶的挠度影响线无明显差别。因此设计时,在不改变吊杆布置方式的条件下,改变拱肋布置方式对结构的竖向刚度影响不大。3.4　自振频率

分别比较了提篮拱和平行拱的前5阶频率与振型,包括吊杆交叉与吊杆平行2种吊杆布置形式。

从表3可以看出,吊杆布置形式对基频的影响很小,在不改变桥面侧向刚度而使拱肋对称侧倾布置(提篮拱)时侧向振动频率会大幅度增加。拱肋内倾与否对基频影响较大,4种布置形式的第1阶振型皆为拱肋面外正对称,说明横向刚度均小于竖向刚度,相比较而言,提篮拱比平行拱可以提供更大的横向刚度。

表3　提篮拱和平行拱的自振特性分析结果

H z

1阶

2阶3阶4阶5阶提篮拱

平行拱

吊杆 1.267

1.548

1.818

1.849

2.306

交叉拱肋面外正对称

拱肋面内反对称

拱肋面内正对称　

拱肋面外反对称

拱肋面外正对称

吊杆 1.174

1.271

1.841

1.876

2.320

平行拱肋面外正对称

拱肋面内反对称

拱肋桥面耦合对称

拱肋面外反对称

拱肋面外正对称

吊杆0.581

1.487

1.583

1.717

1.855

交叉拱肋面外正对称

拱肋面外反对称

拱肋面内反对称　

拱肋面外正对称

拱肋面内正对称

吊杆0.581

1.183

1.490

1.718

1.872

平行

拱肋面外正对称拱肋面内反对称拱肋面外反对称　拱肋面外正对称拱肋面内正对称

4　模型试验

模型以设计资料为原型,总体上按静力相似的原则进行设计,采用缩尺比为1∶10的全桥模型进行试验。模型采用与原型相同的材料,为弥补材料容重不足所产生的影响,试验中对模型进行了恒载补偿。模型主要部件尺寸根据实际设计方案按几何相似关系确定,系梁根据刚度相似原则选用单箱双室鱼翅梁。该桥设计方案系梁采用悬臂灌筑的施工方法,本试验模拟施工和运营过程,共测试了21种工况。图5和图6给出了拱顶和系梁在各工况下的位移变化规律。从图中可以看出,在系梁合拢以前,结构的整体刚度较小,拱顶和系梁位移对系杆张拉力非常敏感。系杆张拉力有较小变化时,拱顶位移即

有较大波动。而系梁合拢后,结构体系发生转变,整体刚度大大增加。在各个工况下,实测值和计算值吻合得较好。

图5　各工况拱肋位移

5　结　论

(1)在其余条件完全相同的条件下,尼尔森拱的竖向刚度大于洛泽拱。因此,尼尔森体系拱比洛泽拱更能满足高速铁路桥梁的要求,在拱桥对竖向刚度要求较高的情况下,可优先考虑尼尔森拱方案。

(2)提篮拱和平行拱肋拱桥相比,二者竖向刚度相差不大,但在横向刚度方面提篮拱优于平行拱肋拱桥,具有较好的动力性能。使两拱肋以合理的角度向桥面内侧倾可以使拱桥结构的横向刚度得到大幅度提高,这样可以使高速铁路桥梁具有足够的横向刚度以保证行车安全,不失为增大拱桥横向刚度一个有效的结构措施。

(3)本桥系梁采用悬臂灌筑的施工方法,系梁合拢前结构的整体刚度较小,结构本身对诸如系杆的张拉力等荷载的变化非常敏感,因此设计时应考虑这些因素,施工前应制定切实可行的施工工序,施工时本着理论分析和现场实际相结合的原则加强施工监控工作,并采取必要措施保证结构安全。

(4)试验结果和理论计算结果吻合较好,说明模型设计合理,试验方案可行,试验结果能够较准确地反映结构的实际受力特性。同时也表明,设计所采用的计算理论、计算模型和软件能够准确模拟提篮式系杆拱桥的受力行为,能够正确反映结构的多种荷载状况和多种边界条件,计算结果可靠。

参　考　文　献:

[1]　李　丽.钢管混凝土异型系杆拱桥结构特性分析[D].

成都:西南交通大学,2000.

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2002年8月