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。
所有内力边界条件以及横梁上支座处施加的反力全部从全桥空间有限元分析中获取，墩底采用等代刚度法模拟桩基和承台对墩底的作用。对局部模型在以下4种荷载工况下的受力状态进行分析：
工况1成桥状态恒载；
工况2恒载+轴力最不利活载工况；
工况3恒载+面内弯矩最不利活载工况；
工况4恒载+面外弯矩最不利活载工况。
各工况对应的内力和支座反力见表1。
由于墩拱节点结构比较复杂，为描述方便，将其划分为钢一混连接段、拱座、拱墩固结处和墩柱(包括横梁)4个区域，见图6 。
4种荷载工况下，尽管应力值大小有所不同，但相差不大，且总体应力分布规律相似，因此，以下所示结果均为4个工况中的最大应力值。
3.1钢一混连接段受力状态分析
钢一混连接段结构合理，传力较均匀，钢一混连接段的钢构件应力均小于Q345qD钢材的容许应力，且有较大的余量。连接段内的拱肋、承压板和PBL钢板等钢构件大部 分区域等效应力不超过76.1MPa，只在拱肋钢箱与钢一 混连接段连接处上方的钢箱拱肋底板纵肋局部角点应力较大。由于钢一混连接段变截面部分内部密布很多竖向加劲肋，故该区域内大部分混凝土压应力都很小，只在加劲肋和混凝土相交的局部角点出现较大的拉应力和压应力，但区域很小，不影响钢、混凝土共同受力。
3.2 拱座受力状态分析
分别对考虑螺纹钢筋预应力和不考虑螺纹钢筋预应力作用2种情况进行了分析。拱座混凝土基本都处于受压状态，最大压应力不超过7.4MPa，应力分布较均匀。螺纹钢筋预应力只对预埋锚板N16上方的混凝土产生效应，N16板以下部分不受影响。拱肋轴压力很大，当不考虑螺纹钢筋预应力作用时，拱座混凝土已经处于受压状态，最大压应 力不超过4.0MPa。施加预应力的目的是为了使钢拱肋与混凝土更好的连接在一起，共同受力，且避免混凝土出现拉应力。因此，预应力可适当减小。
3.3 拱墩固结处受力状态分析
拱座主应力的方向基本都是沿拱轴向，墩柱主应力的方向都是沿竖直方向，但拱墩固结处是拱肋轴向力向竖向力和水平力转化的过渡段，故受力比较复杂。根据4种荷载工况的有限元分析，该区域除去系杆锚固处外，大部分区域应力值都很小。在系杆锚固处，由于系杆拉力很大，故锚垫板板下出现较大的压应力，而四周则出现拉应力，但受拉范围很小，且实际结构在墩柱的上部配置有竖向预应力筋，拉应力会减小，因而可不作为主要的应力集中区。
3.4墩柱和横梁受力状态分析
对墩拱节点在相同荷载工况、不同系杆拉力作用下进行受力分析，结果表明，系杆拉力大小只影响系杆以下部分墩柱的受力情况，对系杆以上部分几乎无影响，若系杆拉力小于拱肋水平方向的分力，在顺桥向墩底内侧会出现一定的拉应力。图7是设计系杆力作用下墩柱和横梁竖向应力分布图。墩柱最大压应力值为一10.2MPa，发生在横梁与墩柱相交的下部；在横梁和墩柱相交的上部出现1.81 MPa 横桥向的拉应力，主要是由于集中力作用在横梁上， 使横梁与墩柱相交的上部产生较大的负弯矩，而在实际结构中横梁和墩柱形成一个刚架，横梁两端施加有横向预应力，故拉应力会减小。由墩拱节点局部分析可知，墩拱节点结构牢固，承载力很大，传力流畅。但在施工过程和桥梁使用期间，墩柱和基础有可能要承受一定的水平推力，横梁要承受混凝土梁体传递的竖向作用力，因此，墩柱和横梁要确保有很强16的抗弯刚度，基础要确保有足够的抗推刚度，以防止出现较大的拉应力而不能满足使用要求。
4 墩拱节点模型试验
4.1试验模型概况
对永修特大桥墩拱节点作了1：3缩尺模型试验。采取以下加载方式：模型系杆端部通过钢锚箱锚固于承压板上，承压板锚固在剪力墙上；拱肋端截面焊接加强板，通过液压千斤顶对拱肋端截面施加荷载，见图8 。模型内部和外部均布置了应变片和应变花，由DH3816和DH3818应变采集仪采集应变数据，并直接输入计算机中。图9为模型试验中的试件．
4.2试验结果分析
试验结果表明，在4种荷载工况( 荷载工况与实桥分析对应) 下，尽管应力值大小有所不同，但相差不大，且总体应力分布规律相似，故本文仅对墩拱节点在工况2作用下不考虑预应力时的主应力及压应力等进行分析。
1)图10和图11分别给出了不考虑预应力作用时拱座处混凝土第1、第3主应力和钢一混连接段外部钢板两侧轴向应力曲线．由图10和图11可知，试验值和理论值吻合较好，试验值略小于理论值。其中混凝土应力实测值与理论值差别略大，这是因为理论分析中没有考虑普通钢筋的作用，而在实际中墩拱节点处普通钢筋很密集。
2)墩拱固结处主要以受压为主，且压应力都很小，拱座上主应力基本是沿拱轴方向，墩柱主应力沿竖直方向，与理论分析结果一致。
3)当不施加螺纹钢筋预应力时，预埋锚板N16上方区域混凝土都是受压的，实测压应力在1.0～4.0 MPa，加上预应力以后，该区域的混凝土表面的压应力为3.4 ～6.3 MPa 。
4)剪力钉和PBI 剪力连接件的合理应用有效加强了钢拱肋和混凝土拱座的连接，使钢一混连接段的钢板与混凝土共同受力，保证了拱肋轴向力的均匀传递。
5.结论
1)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。钢箱拱肋主要受轴压作用，受力较均匀，其受力行为与普通系杆拱桥类似。
2)墩拱节点是刚架系杆拱桥的关键部位，结构构造和受力状态都很复杂。
3)永修特大桥128m刚架系杆拱桥有足够的强度和刚度，受力合理，表明刚架系杆拱桥在客运专线上的应用是完全可行的。
