鋼管混凝土系桿拱橋關鍵節點受力分析

趙 云 鵬

(1.東北林業大學土木工程學院，黑龍江哈爾濱 150040;2.遼寧省交通規劃設計院，遼寧沈陽 110166)

在橋梁施工中，為強化鋼管混凝土系桿拱橋關鍵節點的受力行為，可以采用有限元方法分析鋼管混凝土系桿拱橋全過程思維非線性受力行為，建立鋼管混凝土拱橋整體模型，分析整體受力行為，提高橋梁工況的安全系數。以下對此做具體分析。

1 工程概況

針對某鋼管混凝土系桿拱橋橋梁施工工程進行分析，該工程中，其主橋是單跨下承式鋼管混凝土系桿拱橋，92.5 m的主橋跨徑，主橋的矢跨比約為1/5，主橋的橋面全寬是18.65 m，主橋中橋面的一半架設著輸油管線，另一半專門供汽車和人群通行。橋體工程中，系桿軸線是半徑為2 500 m的圓凸曲線，主橋的拱肋采用啞鈴型的截面，截面高度為180 cm，其中的單根鋼管直徑為80 cm，鋼管以及腹板厚度為1.4 cm，拱肋內傾角是12°，該橋的吊索為16根φ15.24環氧噴涂鋼絞線，為降低拱肋水平推力影響橋面混凝土板的質量，因此該橋的鋼橫梁上方處還布置了較為稀疏的焊釘，以此來避免汽車發生水平滑動。且該橋橋面混凝土板厚度20 cm，并采用的是現場整體澆筑施工技術，鋪裝層采用7 cm瀝青混凝土。

2 構造關鍵節點

2.1 分析構造鋼管混凝土系桿拱腳節點

對于該橋的建設中，由于其采取鋼結構方案，從而將會導致在構造橋體拱腳節點中面臨復雜問題，不僅需要在拱腳節點的連接中加許多勁肋板，而且也將會預留許多焊縫;因此在拱腳節點構造中，應該根據拱腳節點的構造特點，從彎矩傳遞、軸力傳遞、剪力傳遞三個方面闡述節點傳力的構造。首先，在橋體的彎矩傳遞中，為了確保鋼管混凝土拱肋的質量，應該保證拱肋可以深入到1.4 m系梁頂面下，有效傳遞彎矩以此來保證橋梁拱肋同系梁的剛接［1］;其次，就是對于橋體的軸力傳遞中，可以在拱肋傾斜角度之上加勁肋板，另一側拱肋則需要焊接在系梁內鋼管外壁之上;最后，通過上弦拱肋以及系梁內部焊接的剪力傳遞。

2.2 構造鋼管混凝土系桿空鋼管吊裝節點

針對該橋工程施工中，采用浮吊整體吊裝，在拼裝主橋鋼結構中，可以實施采用4點吊裝法，確保橋梁結構的穩定性，針對未灌注混凝土的橋體進行安裝。將主橋體鋼結構整體吊裝到橋位，確保吊裝期間內的拱肋為空鋼管結構，同時加強構造吊裝節點，避免吊裝節點出現應力集中的現象。

3 分析系桿拱橋關鍵節點的受力行為

3.1 創建有限元模型

為分析拱橋關鍵節點的受力，采用有限元模型分析橋結構不同施工階段內力，并分析在關鍵節點區的內力情況，采用梁單元、桿單元以及實體單元，根據橋梁工程的實際情況計算拱橋關鍵點的應力。首先，邊界條件中，在拱橋的一端支座中，約束來自于X，Y，Z三個方向上的自由度，并能夠模擬該橋梁的狀態，固接連接拱橋拱肋與拱橋拱座;針對預應力鋼絞線實施建模，確保拱橋吊桿與系桿、拱肋的節點耦合，使其可以建立連接關系，保證平動自由度耦合。其次，就是建立整體有限元模型［2］，將實施鈍化虛擬梁單元，把混凝土梁與鋼管梁的共節點連接在一起，正裝分析主橋。再者，在節點精細的有限元模型中，在ABAQUS平臺中完成對拱腳節點的有限元分析，以及對吊裝節點有限元的分析，然后可以根據圣維南原理，遠離區域邊界條件不會影響計算結果，只需延長拱肋與系梁傳遞方向上的長度，以此來降低消除邊界條件對計算結果的影響［3］，簡化處理洞口倒角、人孔以及支座，模擬鋼板分殼單元。最后再采用掃略網格劃分技術，綜合考慮網格尺寸，分析材料的非線性行為，對改進后的吊裝節點進行有限元分析，從而得出吊裝節點的應力分布情況，改善橋梁工程質量。

3.2 分析承載力

在ABAQUS平臺中，定義該橋梁施工過程中的各個施工階段，在橋梁施工中，其第1個階段，也就是吊裝拱橋拱肋的完成階段，第2個階段，就是拱橋拱肋下層混凝土施工階段，第3個階段，就是壓注拱肋腹腔混凝土，第4個階段，就是壓注拱肋上層的混凝土。針對該橋梁工程中拱腳節點的兩種吊裝方案，根據吊裝中存在的應力集中現象，因此在上頂板連接中，應該確保銳角鋼板應力最大達到180 MPa［4］，并且還應該保證底板在本工程中不是受力構件，同時對于橫隔板也應保證其不是受力構件，同時對于施工中吊裝加載位置的轉變，施工中的橋梁底板的應力，也應該隨此產生一定的變化，能夠從80 MPa一直減小到10 MPa為止，確保橫隔板的應力在30 MPa，有效防止截面畸變。在承載力分析中，并且對鋼管混凝土系桿拱橋進行有限元方法分析關鍵節點受力之后，發現縱向隔板應該承擔水平軸力，其最大應力應該是111 MPa［5］，并能在橋梁設計中重點關注該區域的應力集中情況;再有，拱腳節點區板件應力要小于鋼材應力，提高其結構的安全可靠性，使管內混凝土最大壓應力在13 MPa，鋼板應力應該在100 MPa以下，這樣就可提升橋梁整體質量。

3.3 分析拱橋吊裝節點的應力

在該橋梁工程中，應用有限元方法，在ABAQUS平臺中分析拱肋鋼管吊裝節點的應力分布，可以得出，對于未灌注混凝土的鋼管，其鋼管徑向的剛度較小，由于吊點力集中的影響，因此吊裝中鋼管極易產生“捏扁”變形，安全儲備低，因此應提高拱肋鋼管的徑向剛度，改善主橋中的拱肋鋼管受力行為。針對在極限狀態中的吊裝節點，分析此時的下弦鋼管狀態，故此得出，可以在下弦鋼管腹板的位置上，改進下弦鋼管的徑向剛度，確保可以傳遞更多的吊點力到上弦鋼管中，改進吊裝節點方案，在鋼管相交截面位置設2道環向加勁肋，使吊裝節點的應力由原來209 MPa降到136 MPa，改善吊點區的應力分布情況，降低吊點區鋼管變形的發生幾率，提高橋梁施工質量。

4 結語

在橋梁工程中，應該采用有限元分析法，分析鋼管混凝土系桿拱橋關鍵點的受力工況，研究拱腳節點同吊裝節點在設計荷載與極限狀態下的受力行為，并能夠采用拱腳節點構造形式，對下弦鋼管環進行加強，承載安全系數由3.08提高到4.50，改善吊點區鋼管徑向剛度與承載力，提升橋梁工程質量。

［1］李青山.鋼管混凝土系桿拱橋中墩處拱腳應力分析［J］.山東交通學院學報，2012，7(18)：41-42.

［2］杜士杰，宋宏祥.龍屯路立交鋼管混凝土簡支系桿拱橋主橋設計研究［J］.鐵道標準設計，2011，14(12)：76-77.

［3］徐晏平.鋼管混凝土柔性系桿拱橋施工階段的靜力計算分析［J］.湖南城市學院學報(自然科學版)，2010，21(14)：56-57.

［4］李宏江，朱才明，剛 勤，等.鋼管混凝土柔性系桿拱橋施工階段的靜力計算分析［J］.鐵道標準設計，2011，6(34)：45-46.

［5］周列茅.鋼管混凝土系桿拱橋關鍵節點的受力行為［J］.公路交通科技，2012，24(32)：54-57.