大跨度連續(xù)梁拱組合橋梁吊桿應(yīng)力分析

馬俊驥

（新疆交通建設(shè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

大跨度連續(xù)梁拱組合橋梁具有走行性好、方便維護(hù)、結(jié)構(gòu)變形小、抗疲勞性能強(qiáng)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，隨著設(shè)計(jì)水平的提升，梁拱組合橋梁在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用。梁拱組合橋梁的受力十分復(fù)雜，吊桿張拉過(guò)程影響著全橋的應(yīng)力分布，因此，其設(shè)計(jì)過(guò)程顯得十分重要。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者進(jìn)行了大跨度連續(xù)梁拱組合橋梁的應(yīng)力分析，并取得了一定效果。姚君芳通過(guò)分析梁拱傳力機(jī)制和應(yīng)力分布特征，認(rèn)為嵌入深度增大后，鋼筋混凝土連接處的應(yīng)力迅速下降，即在連接處設(shè)置鋼板可以有效地分散應(yīng)力[1]；龔俊虎研究了V型橋墩的梁拱結(jié)合部位傳力機(jī)制和應(yīng)力分布，認(rèn)為梁拱結(jié)合部位處于三向受壓，應(yīng)在局部危險(xiǎn)部位設(shè)置防裂鋼筋網(wǎng)絡(luò)[2]；歐陽(yáng)輝來(lái)等利用ANSYS有限元軟件分析了某承式箱橋梁拱組合部位的吊桿應(yīng)力分析，認(rèn)為梁端的四道隔板和上下拱肋連接處的受力情況最復(fù)雜，應(yīng)力集中，應(yīng)進(jìn)行加強(qiáng)處理[3]。本文從某大跨度連續(xù)梁拱出發(fā)，分析了橋梁吊桿的應(yīng)力分布，并介紹了大跨度連續(xù)梁拱組合橋梁的特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀，確定了局部模型的分析方法和邊界的處理情況，建立了分析模型，利用ANSYS有限元法對(duì)該橋梁吊桿模型進(jìn)行應(yīng)力分析，得到其應(yīng)力分布情況，找出了運(yùn)行中危險(xiǎn)工況下的應(yīng)力分布規(guī)律以及影響因素，提出了改進(jìn)該橋梁結(jié)構(gòu)的措施，為大跨度連續(xù)梁拱組合橋梁設(shè)計(jì)提供有益的參考。

1 橋梁概況

某橋梁主橋采用63m+136m+63m=262m，寬度32m，采用混凝土連續(xù)中孔鋼管體系，梁體分為三段：左邊拱、主拱肋、右邊拱。全橋共設(shè)置吊桿17根，采用鋼鉸線整束擠壓拉索。主拱肋采用15—31型，共11根，吊桿長(zhǎng)度為32～39m，編號(hào)自東向西依次為1#～11#，水平傾角為40.6～89.1°；邊拱肋采用15—25型，共6根，東邊拱肋吊桿編號(hào)從東到西依次為15#～17#、西拱肋為12#～14#，吊桿長(zhǎng)度為7.9～14.4m，水平傾角為40.9～69.9°。施工順序?yàn)闈M堂支架拼裝主梁、主梁上滿堂支架澆筑拱肋、拆除梁上拱肋支架進(jìn)行吊桿張拉、拆除滿堂支架及臨時(shí)墩、橋面鋪裝、成橋，如圖1所示。

圖1 某大跨度連續(xù)梁拱組合橋梁示意圖

2 全橋有限元模型建立

橋梁有限元法模型計(jì)算采用ANSYS有限元軟件，對(duì)組合橋梁進(jìn)行仿真分析，分析過(guò)程中須注意以下情況：時(shí)間材料特性、組的激活、材齡不同的混凝土構(gòu)件的徐變、結(jié)構(gòu)模型的變化、材齡不同的混凝土構(gòu)件收縮應(yīng)變、載荷條件的變化、混凝土抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間的變化、邊界條件的變化[4]。有限元分析中各種連續(xù)橋梁梁拱材料參數(shù)情況如表1所示[5]。

表1 連續(xù)橋梁梁拱材料參數(shù)情況

采用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行模型分析。吊桿用只受拉桁架單元模擬，主梁、拱肋、風(fēng)撐用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模型。全橋建模使用了215個(gè)節(jié)點(diǎn)，237個(gè)單元，包括209個(gè)梁?jiǎn)卧?8個(gè)桁架單元。由于某大跨度連續(xù)梁拱的拱肋不對(duì)稱(chēng)，且吊桿長(zhǎng)度也不相同，導(dǎo)致不同的吊桿應(yīng)力不同，若同時(shí)進(jìn)行張拉，控制有一定難度[6]。按設(shè)計(jì)拉力值的60%進(jìn)行張拉，不斷進(jìn)行調(diào)索。依次張拉中跨7#、6#、5#、4#、3#、2#、8#、10#、1#、9#、11#索。東邊跨16#、15#、17#索，西邊跨13#、12#、14#索。吊水平受力情況見(jiàn)表2。

表2 吊桿受力情況分析

大跨度連續(xù)梁拱組合橋梁吊桿第一次張拉完成后，其拱肋和主梁的應(yīng)力分布見(jiàn)圖2。從圖2中可以看出拱肋處于受壓狀態(tài)，最大應(yīng)力約為12.15MPa，符合設(shè)計(jì)的受力范圍。此吊桿方案在理論上是可行的。

圖2 大跨度連續(xù)梁拱組合橋梁應(yīng)力分布圖

3 公路工程損害的防治

根據(jù)前述對(duì)大跨度連續(xù)梁拱組合橋梁吊桿的應(yīng)力分析，結(jié)合全橋梁的應(yīng)力分布情況，得出梁拱結(jié)合部位的優(yōu)化措施，改善其應(yīng)力分布性能，具體如下[5-7]：

（1）拱肋中的鋼筋應(yīng)穿過(guò)梁拱進(jìn)入主梁結(jié)構(gòu)中，這樣可以使拱肋與梁拱結(jié)合面的應(yīng)力分散，消除應(yīng)力集中引起的疲勞；

（2）加強(qiáng)拱肋、梁拱、主梁間的結(jié)合，使其成為一個(gè)有機(jī)的整體，應(yīng)力能夠有效的分散；

（3）拱座與上、下管弦間的結(jié)合處應(yīng)設(shè)置鋼筋網(wǎng)進(jìn)行連接，使拱肋和拱座成為整體，優(yōu)化其應(yīng)力分布和應(yīng)力傳遞；

（4）加強(qiáng)拱座與主梁之間錨桿筋的數(shù)量，結(jié)合拱座的設(shè)計(jì)，確定其數(shù)量值和角度，使設(shè)計(jì)水平達(dá)到最優(yōu)；

（5）支座鋼墊板處進(jìn)行鋼筋網(wǎng)結(jié)構(gòu)改造可以消除支座內(nèi)部的應(yīng)力集中，一般在支座處布置3～4層鋼筋網(wǎng)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)橋梁設(shè)計(jì)水平的提高，大跨度連續(xù)梁拱組合橋梁在公路橋梁建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。本文介紹了大跨度連續(xù)梁拱組合橋梁的特點(diǎn)和研究現(xiàn)狀，從某公路大跨度連續(xù)梁拱組合橋梁概況出發(fā)，給出了橋梁材料的各種參數(shù)，并利用ANSYS有限元法對(duì)橋梁吊桿進(jìn)行了有限元分析，得出了其應(yīng)力分布情況，找出了運(yùn)行中危險(xiǎn)工況下的應(yīng)力分布規(guī)律以及影響因素，提出了改進(jìn)該橋梁結(jié)構(gòu)的措施，為大跨度連續(xù)梁拱組合橋梁設(shè)計(jì)提供有益的參考。

[1]姚君芳.永修剛架系桿拱腳動(dòng)靜力特性研究及剛結(jié)點(diǎn)局部應(yīng)力分析[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2009.

[2]龔俊虎.大跨度V型墩連續(xù)剛構(gòu)與拱組合橋受力特性研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2009.

[3]歐陽(yáng)輝來(lái)，張萬(wàn)華.新開(kāi)河大橋拱腳設(shè)計(jì)及局部應(yīng)力分析[J].世界橋梁，2009（3）：33-35.

[4]趙訓(xùn)剛.中承式鋼箱混凝土連續(xù)梁拱組合橋拱梁結(jié)合部模型試驗(yàn)與數(shù)值分析研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2011.

[5]解文成，李子特.混凝土徐變對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋長(zhǎng)期下?lián)系挠绊懷芯縖J].河南城建學(xué)報(bào)，2012（1）：4-7.

[6]彭桂瀚，陳寶春，孫潮.下承式鋼管混凝土鋼架系桿拱橋拱腳有限元應(yīng)力分析[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（2）：85-88.

[7]韋偉，張俊平.吊桿張拉程序?qū)α汗敖M合體系內(nèi)力影響的分析[J].廣州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，11（2）：43-47.