大跨度中承式系桿拱橋雙肢截面拱肋受力研究

2016-10-28 07:57:12龐穎

公路與汽運 2016年1期

關鍵詞：模態

龐穎

（1.長沙理工大學，湖南　長沙　410004；2.中交路橋華南工程有限公司，廣東　中山　528403）

大跨度中承式系桿拱橋雙肢截面拱肋受力研究

龐穎1，2

（1.長沙理工大學，湖南長沙410004；2.中交路橋華南工程有限公司，廣東中山528403）

為研究雙肢凸形截面拱肋的受力特性，以某（100+450+100）m大跨度中承式鋼箱拱橋為工程背景，采用ANSYS13.0建立梁-殼三維混合有限元模型，對其在恒載、恒載+活載工況下的受力特性進行數值計算。結果表明，在恒載和恒載+活載工況下，拱肋凸形截面應力水平較低，拱肋內側應力比外側大4.1％～6.8％，凸形截面同時出現正、負剪力滯現象；在恒載+活載工況下，大橋的第一屈曲模態為面外正對稱屈曲，屈曲系數為7.25。

橋梁；系桿拱橋；雙肢截面；混合有限元模型；剪力滯；屈曲模態

近十幾年，隨著社會和科學技術的逐步發展，作為大跨度橋梁形式之一的鋼拱橋得到較快發展。2006年建成的主跨300 m佛山市東平大橋是首座拱梁協作體系拱橋；2011年建成的主跨450 m明州大橋是中國第一座大跨徑雙肢鋼箱拱橋；2012年建成的主跨3×210 m長沙福元路湘江大橋是中國第一座采用整體楔進式頂推施工的鋼箱拱橋；正在建設的主跨336 m金沙江鋼箱拱橋是世界上最大跨度公鐵兩用鋼箱拱橋。上述有代表性的鋼箱拱橋除明州大橋外均采用單箱鋼箱拱橋。由上、下肢結合成的雙肢鋼箱拱橋，截面形式新穎，較少有文獻對該種結構進行受力分析。為此，該文以某（100+450+ 100）m雙肢鋼箱拱橋為工程背景，采用ANSYS13.0建立梁-殼三維混合有限元模型，分析雙肢鋼箱拱肋在不同荷載工況下的受力特性。

1　工程概況

某橋主橋采用雙肢中承式系桿拱橋，其跨徑布置為（100+450+100）m，橋寬45.8 m，矢跨比為1/5。主橋中跨拱肋由上、下兩肢組成，橫向傾斜度1∶5，其中在中跨跨中左右315 m范圍內采用凸形截面，其余區域采用單箱截面。上、下游兩片拱肋通過K撐、一字撐連成整體，橋面系與鋼拱肋通過吊桿或立柱形成聯系，將橋面系荷載傳遞給鋼拱肋。主橋兩邊跨之間布置張拉系桿，以平衡大橋中跨產生的水平力。主橋總體布置見圖1。

主橋中跨拱肋下肢截面寬3.5 m，高4.8～6.5 m，頂、底、腹板厚25～55 mm；上肢截面寬2.8 m，高1.8 m，頂、底、腹板厚16～20 mm。主拱拱頂截面見圖2。邊拱下肢截面寬3.5 m，高5.0～6.0 m，頂、底、腹板厚20～35 mm。

圖1　主橋總體布置（單位：m）

圖2　主拱肋拱頂凸形截面（單位：mm）

2　混合有限元模型的建立

為避免在局部模型中施加邊界條件存在的不足，選取主橋跨中30 m區域拱肋，采用ANSYS建立三維殼單元局部模型，其余構件采用桿系單元模擬，桿系單元與殼單元通過剛域形成梁-殼三維混合有限元模型。跨中30 m區域拱肋采用Shell63單元模擬，其余拱肋及橋面系、立柱、拱肋橫向聯系等均簡化成空間梁單元Beam44，吊桿、系桿拉索簡化成索單元Link10。數值仿真模型見圖3。

圖3　混合有限元模型

邊界條件：主墩與拱肋和系梁按共節點模擬，邊墩與上部結構之間采用Combin14單元模擬，主墩與邊墩的底部按固結模擬。

計算荷載：根據設計吊桿張拉力，在吊桿單元施加節點荷載；結構自重采用慣性力模擬；二期恒載及橋面附屬荷載按均布荷載模擬，為80.03 k N/m；活載按公路-Ⅰ級、雙向八車道計算。

3　計算結果分析

為分析凸形截面拱肋的受力特性，取拱頂附近3個典型截面進行應力分布研究。典型截面位置及編號見4，其中A-A截面為普通截面，B-B截面為吊點處截面，C-C為橫向加勁截面。

圖4　拱頂截面示意圖

3.1恒載工況下拱肋應力計算結果

圖5～7為恒載工況下A-A、B-B、C-C截面頂、中、底板應力橫向分布，圖8為恒載工況下C-C截面橫隔板應力云圖。

由圖5～7可得：在恒載工況下，凸形截面頂、中、底板應力為80～105 MPa，在橫隔板（B-B）和橫向加勁（C-C）截面處出現正剪力滯現象，而在無橫向加勁（A-A）截面處出現負剪力滯現象；拱肋內側應力比外側對應位置應力大4.1％～6.8％，其原因主要是拱肋在橫向傾斜度為1∶5；B-B、C-C截面處中板與頂板對應位置應力相差約9 MPa，A -A截面處中板與頂板對應位置應力近似相等。