某下承式拱橋異型拱座分析

張冠楠

1 工程背景

在建的某鋼疊合梁組合式系桿拱橋,全長300 m,跨徑布置為(60+180+60)m。

中跨為下承式鋼管混凝土拱橋,拱肋橫向由4片拱肋組成,分主、副拱肋,二者通過橫向拉桿連接。拱軸采用拋物線,主拱計算跨度L=180 m,計算矢高f=40 m,矢跨比1/4.5,副拱計算跨度L=180 m,計算矢高f=48 m,矢跨比1/3.75。

主拱與主梁通過主吊桿連接,主吊桿縱向間距6.0 m,全橋共設25對。為追求景觀效果,主、副拱肋均采用外傾方式布置,主拱向外傾斜16°,副拱向外傾斜 26.82°,同時,將主拱范圍內人行道向拱外平移6.0 m,并抬高1.94 m。人行道與主梁通過懸臂挑梁連接,設置副拱與挑梁間的副吊桿,以承擔部分人行道挑臂荷載。為平衡主、副拱肋外傾引起的水平分力,設置斜拉桿將主拱與布置在中央分隔帶處的耳叉連接起來。副吊桿與斜拉桿對應設置,縱向間距12.0 m,全橋共11對副吊桿(斜拉桿),總體布置圖見圖1。

主拱和副拱分別是機動車道和人行道的關鍵受力構件,而二者在橋面上交匯于拱座,拱座就成為全橋受力的一個關鍵節點。由于主拱和副拱的傾角不同,同時為了保證拱座自身的外觀效果,因此拱座的造型也較為獨特。為了保證全橋結構的安全性,需要對拱座的受力情況進行專門的分析和研究。

在初步擬定構造時,我們可以采用有限元軟件來對異型拱座進行仿真分析,現在市場上通用的有限元軟件具有豐富的單元,比較完備的約束模擬系統,以及多樣化的荷載加載方式,能夠模擬很多特殊構造以及部件,這樣可以有效節約設計成本,縮短設計周期。

2 計算和分析

拱座結構為鋼—混凝土組合結構,外殼為鋼板,內部填充混凝土,主拱和副拱插入混凝土當中,為了保證鋼和混凝土能夠有足夠連接,保證力的傳遞和擴散,在拱肋外表面和拱座外包鋼板內表面都分別設置了剪力釘。

本文采用大型通用有限元程序建立拱座的全真實體模型,模型還包括拱座與主梁的連接。其中混凝土用實體單元模擬,鋼管和外包鋼板采用殼單元模擬。

有限元模型的位移邊界條件:在拱座底部主梁支座位置約束3個方向的位移。

由于拱座的外包鋼板和拱肋鋼管伸入拱座部分均布置有剪力釘,可以認為鋼板或鋼管與混凝土不發生相對位移,故混凝土和鋼的接觸面相應位置的節點位移自由度完全耦合。

材料特性:混凝土:彈性模量3.45×104N/mm2,泊松比0.166 7;鋼材:彈性模量 2.1×105N/mm2,泊松比 0.3。

拱座有限元模型見圖2,其中有限元模型中共用187 179個單元和24 213個節點。

荷載工況:恒載+活載+附加力最不利組合工況。

加載方法:分別在主副拱軸線方向建立一個較短的剛臂,將其梁單元一節點與拱肋實體單元的節點耦合,內力施加在梁單元另一節點。

整個模型的主拉應力計算結果,除了由于靠近外力加載位置以及耦合節點的影響使頂部拉力較大外,整個拱座的主拉應力不是很大。其中拱座在與主跨主梁相連處拉應力要比其他部位大,該部位主拉應力接近5 MPa,其他部位的主拉應力較小。

從主壓應力的角度看整個拱座的最大主壓應力約為18 MPa,分布于與拱座平面接近的表面區域,在拱座的截面變化處也存在9 MPa左右的壓應力(見圖3)。

從外表面的軸向應力分布來看拱座的總體是受壓的,總體壓應力在7 MPa左右,局部的壓應力達到18 MPa左右。

從模型內部來看在從拱座頂面向下2 m后,混凝土全部受壓,從截面上的內力分布來看,拱座壓應力沿著“下緣—上緣”“靠近內橋面—遠離內橋面一側”逐漸減小,表現出明顯的壓彎的特點。最大壓應力約15 MPa,總體壓應力在9 MPa左右。

在3.5 m以后由于截面的變化,截面壓應力的分布趨于均勻(限于文章篇幅部分圖片未示)。

3 結語

通過上面的分析,我們可以看出現有的構造可以使主拱和副拱的內力在拱座截面上有較為均勻的擴散,沒有出現明顯的應力超標和突變點,部分應力值偏高區域都非常的小,完全可以通過后期的措施加以克服,拱座整體構造基本合理。

拱座是拱橋體系受力的關鍵節點,在橋梁(特別是城市橋梁)的景觀效果日益提高的今天,異型拱座的出現將成為一個不可避免的現象,本文采用的有限元仿真分析的辦法在擬定拱座的構造時具有高效、經濟的優點,可以為設計人員節省大量的時間和精力。

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[2]郝文化.ANSYS土木工程應用實例[M].北京:中國水利水電出版社,2005:1.

[3]吳永躍,丁文勝.ANSYS在預應力箱梁橋結構分析中的應用[J].山西建筑,2009,35(5):285-287.