大跨铁路连续梁拱桥梁性能分析
摘要：梁拱组合桥的出现解决了在软土地基上修建拱桥的困难，有很强的生命力。经过一百多年的发展，随着桥梁分析理论的完善、分析手段的进步，随着新材料、新工艺的应用，人们对梁拱组合桥的认识不断提高。本文针对连续梁拱组合桥梁的研究现状，为进一步了解梁拱组合桥的构造特点、受力特性、适应情况及施工方法，对梁拱组合桥梁的一些典型的静力问题进行分析研究，对该类桥型的设计施工提出一些建议，以期在今后此类桥梁的设计施工中起到参考和借鉴的作用。
关键词：铁路；连续梁拱；性能
一、连续梁拱式桥梁的受力特点
梁拱组合式桥梁在受力特征上是典型的三元结构，即由活载分布构件、力的传递构件及主要承重构件组成。其中系梁、横梁与桥面板共同作用为活载分布构件，吊杆（或与立柱一起）为力的传递构件，而拱肋及系梁为主要承重构件。可见系梁不仅仅是活载分布构件，而且也是承重构件的一部分，因此其受力机理是双重的。
连续梁拱组合式桥梁其外部支承条件与连续梁基本相同，支座处只产生竖向反力，反映出连续梁的受力特点。连续梁拱组合桥梁总的受力特点是：从结构内部受力情况来看，荷载在拱与梁中产生的内力大部分转变为它们之间所形成的自平衡体系的相互作用力，而荷载对于梁拱组合结构外部约束条件所引起的总体受力效应，也因其构造特点而变成另一形式的作用效应。从而拱的水平推力与梁的轴向拉力相互作用，拱与梁截面的总弯矩等效为主要由拱受压、梁受拉的受力形式，剪力则主要成为拱压力的竖向分力。其受力性能有以下特点：
（l）下承式连续梁拱组合桥的拱通过对中跨的加强使内力重新分布，并将荷载由拱直接传递到支点，中跨与边跨内力的相互影响大为减弱，边跨出现负反力的可能性大大减小，使边跨的跨度达到了最小值。中跨较大的剪力主要由拱压力的竖向分力抵抗，而边跨较小的剪力可由边跨梁承受。
（2）中承式连续梁拱组合桥，是一种较适合连续桥梁受力特点的结构，在弯矩较大的跨中和中支点处拱与梁的相对距离增大，此时拱受压、梁受拉成为该桥抗弯的最佳受力状态，而在剪力最大的中支点处，拱轴线与水平线呈最大倾角，拱压力的竖向分力有效地平衡了剪力。
（3）上承式连续梁拱组合桥是通过加强中支点段吸引内力，并在跨中段拱梁合一达到最小建筑高度。拱压力及其上加劲梁拉力能有效抵抗负弯矩，而拱压力的竖向分力也成为抗剪的主力。
（4）连续梁拱组合桥的边跨与中跨之比较小，可最大限度地提供通航空间、缩短桥长，而且也使主要承受负弯矩的短边跨受力更适合构造特点及预应力筋的布置。对于下承式梁拱组合桥，拱对中跨强有力的加劲与梁拱组合的相对封闭作用，在很大程度上阻止了中跨与边跨之间荷载的相互传递，中支点几乎成了中跨与边跨的隔离点。边跨不容易出现负反力，其受力主要取决于跨内的荷载情况。
（5）矢跨比对结构整体受力与变形至关重要。如果采用较小的矢跨比，拱压力的急剧上升必须取用更大的截面，梁内巨大的拉力使得必须配以更多的预应力钢筋，而无法改变的是梁拱组合结构整体抗剪刚度的下降。
（6）上、中承式连续梁拱组合桥的混凝土立柱，拱与梁的结点，以及拱与拱座的结点，都是可能出现裂缝的地方。混凝土开裂的原因，主要是梁与拱不协调的荷载响应，如混凝土拱过大的徐变、温度影响、矢跨比过小等。
（7）梁拱组合桥的预应力均施加在受拉的梁上，预应力度影响着梁的徐变。拱与梁内压应力的相对水平影响着结构长期变形与受力的趋势，拱内过大的压应力将造成结构跨中下沉、各结点及拱脚弯矩增大。
（8）随着跨径的增大及施工过程的复杂化，梁拱组合桥的吊杆的施工拉力及梁的预变位对结构状态的影响渐趋重要。不论在施工过程中还是在使用阶段，吊杆的拉力主要取决于结构的整体受力，结构的成型线形，则应由施工过程中构件形成初始预变位决定。
二、连续梁拱桥梁结构施工方法
梁拱组合式桥梁根据桥梁结构形式、施工设备与技术水平以及桥位条件的不同，施工方法也多样化。根据施工是否采用支架，可以分为支架法和无支架法。具体的施工方法有很多，主要有：满堂支架浇注法、少支架现场拼装（浇注）法、悬臂拼装（浇注）法、塔架斜拉索法、劲性骨架法、预制整体浮运法、岸边浇注转体施工法等等。根据它的主要结构组成部分梁和拱的施工顺序，分为先梁后拱、先拱后梁以及整体架设三种。
（l）先梁后拱
先梁后拱的施工方法一般应用于平原地区和桥位处为干早地带的下承式连续梁拱组合式桥梁的施工，主梁可以像一般的梁桥那样进行架设，如在支架上大段吊装拼装、整体浮运吊装、悬臂拼装、缆索吊装法以及顶推法。完成主梁的架设后可以在主梁上用少支架法完成主拱的架设。在实际的拱桥施工过程中，由于桥位地形、地址和水文等自然条件的不同，施工方法通常是非常复杂的，并且在结构的总造价中还占很大的比例，在建造这些桥的过程中可能还会需要一些特定的施工设备，往往也会几中方法兼或使用。
（2）先拱后梁
采用先拱后梁的施工方法时，一般通过分段悬臂拼装（浇注）法、塔架斜拉索法、劲性骨架法或转体施工法等先完成主拱的架设，然后再利用主拱完成主梁的架设。对于下承式梁拱组合式桥梁，可以通过在拱肋上安装吊机，完成主梁的分段拼装；对于上承式梁拱组合式桥梁，可以在拱背上搭设支架，现浇加劲纵梁，或是利用立柱分段或分孔架设主梁。采用先拱后梁施工时，在安装主拱时，需要有临时措施解决拱的推力的措施，如临时固结、临时拉索等。
三、桥梁拱结合部局部应力分析
预应力混凝土连续梁拱组合体系桥梁，由拱肋、系梁、吊杆、横梁及桥面系组合起来共同受力，梁拱同时承受轴力和弯矩，梁与拱在中支点处刚性连接。连续梁中支点处存在较大的负弯矩，分配到中孔的梁和拱内；同时拱脚巨大的水平推力通过中孔系梁平衡，中支点处一般设有强大的中横梁，以增加主纵梁的抗扭刚度。这都使得拱肋与纵梁连接处无论在施工过程中，还是在使用阶段受力都非常复杂。
3.1Ansys建模简介
ANSYS是融结构、流体、电磁场、声场和热场为一体的大型通用有限元软件，可广泛应用于土木、地质、矿业、材料、机械、仪器仪表、热工、电子、水利、生物医学和原子能的工程的分析和科学研究。它可以在大多数计算机和操作系统中运行，并且可以和大多数CAD软件接口，已经逐渐成为工程师实现工程创新和产品创新的得力助手和有效工具。
3.2Ansys作业流程
ANSYS构架分为两层，一是起始层（BeginLevel），二是处理层（ProcessorLevel）。这两个层的关系主要是使用命令输入时，要通过起始层进入不同的处理器。处理器可视为解决问题步骤中的组合命令，它解决问题的基本流程叙述如下：
（l）前置处理（GeneralPreprocessor）
①建立几何模型（点、线、面、体）；
②定义材料属性（如弹性模量、泊松比等）；
③划分网格。
（2）求解处理（Solutionprocessor）
①给结构模型施加荷载条件；
②施加约束条件及求解。
（3）后置处理（GenerapostProcessor）
四、工程实例
杜坑特大桥工程简介
广珠铁路杜坑特大桥结构形式为58.4+128+58.4m连续梁拱，具体形式如下图。为跨越江门市杜阮北路的跨路桥梁，斜交59°，杜阮北路勘测时为双向四车道，中间为2.5米宽隔离带，道路正宽18米，根据与江门市规划局沟通，杜阮北路规划拓宽为双向8车道，单侧行车道宽15米，行车道边设非机动车道及人行道，规划路全宽60米。
结构构造
1、主梁
主梁为预应力混凝土结构，采用单箱单室变高度箱型截面，跨中及边支点处梁高3.2米，中支点处梁高6.5米，梁底按圆曲线变化。
2、拱肋
拱肋计算跨度L=128米，设计矢高f=25.6米，矢跨比f/l=1:5，拱轴线采用二次抛物线，设计拱轴线方程：Y=-1/160X2+0.8X。
拱肋于拱顶设置最大0.1m预拱度，施工矢高f=25.7米，施工拱轴线方程：Y=-0.0062744140625X2+0.803125X.拱肋实际施工均采用施工拱轴线制作和拼装。
拱肋为钢管混凝土结构，采用等高度哑铃截面，截面高度2.8米。拱肋弦管直径φ0.8米，由σ=16mm厚的钢板卷制而成，弦管之间用σ=16mm厚钢缀板连接，拱肋弦管及缀板内填充微膨胀混凝土。两榀拱肋间横向中心距11m。
拱肋钢管在工厂制作加工后，运至现场拼装，每榀拱肋划分为12个运输节段（不含预埋段、合拢段），运输节段最大长度小于13米。拱肋接口避开吊杆位置，制作拱肋钢管时，可根据运输条件、加工材料规格调整管节长度和运输节段长度。
3、横撑
两榀拱肋之间共设8道横撑，横撑均采用空间桁架撑，各横撑由4根φ450×12mm主钢管和32根φ250×10mm连接钢管组成，钢管内部不填充混凝土。
4、吊杆
吊杆顺桥向间距8米，全桥共设14组吊杆。吊杆采用PES(FD)7-55型低应力防腐拉索（平行钢丝束），外套复合不锈钢管，配合使用冷铸镦头锚。吊杆上端穿过拱肋，锚于拱肋上缘张拉底座，下端锚于吊点横梁下缘固定底座。
五、结论
随着桥梁结构逐渐向大跨度方向发展，几何非线性、材料非线性等问题在桥梁结构上的影响将越来越突出。考虑非线性对拱桥稳定性的影响，并进一步探讨该桥的极限承载力将是非常有意义的课题。虽然在钢管混凝土结构在我国的桥梁结构上应用已经非常广泛，但是由于我国目前处于交通基础设施建设的高峰期，大量的研究力主要集中于具体桥梁工程的应用研究之中，对于钢管混凝土拱的研究尚不系统与深入，没有形成较为成熟的设计理论，而只是简单的将其拟合成钢拱或是钢筋混凝土拱，设计计算与验算缺乏科学依据。可以进行大量的科学试验研究，尽早形成完善的科学计算理论并形成相应规范。
参考文献
[1]中华人民共和国行业标准，铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范（TB10002.3-2005）.北京：中国铁道出版社，2005
[2]范立础.桥梁工程[明.北京：人民交通出版社，2001
[3]张强.澳门西湾大桥设计的若干关键技术问题研究[D]：博士学位论文.武汉：华中科技大学，2005
[4]朱卫国.三跨连续梁拱组合体系桥梁[D]:硕士学位论文.杭州:浙江大学，2003
