鋼管混凝土拱橋不同拱肋截面恒載+活載作用下靜力分析

張銀松

（中鐵物資集團港澳有限公司， 廣東 珠海 519070）

1 主橋構(gòu)造

以某水庫大橋建立有限元模型，拱橋結(jié)構(gòu)中采用中承式有推力鋼管混凝土，有關(guān)參數(shù)如下：跨徑R=248m，矢高比i=1/4，拱軸線采用m=1.5的懸鏈線。橋梁全寬為主橋拱肋與橋道系相交部位之間寬度，關(guān)于行車道程對稱布置，具體參數(shù)如下：15m(行車道)+2×(2.75m(拱肋)+0.075m+0.5m(護欄)，橋道系全寬 16m；為了方便整體橋梁的維護與檢修，在吊桿范圍內(nèi)橋道系兩側(cè)分別加寬了1m檢修通道，拱肋范圍內(nèi)間距由此增加到18m。

2 設(shè)計荷載

(1) 結(jié)構(gòu)自重：混凝土重力密度采用26kN/m3，鋼材重力密度采用78.5kN/m3，瀝青混凝土重力密度采用20 kN/m3；

(2) 汽車活載：汽車活載采用公路-Ⅰ級，按四車道加載并以規(guī)范的折減值進行計算。活載沖擊系數(shù)取0.063；主拱橫向分布系數(shù)取1.16；

(3) 風荷載：靜風荷載按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTGD60-2004)第4.3.7條計算，基本風速取V10=24.5m/s；

3 恒載+活載作用下靜力分析

3.1 恒載+活載作用下吊桿內(nèi)力

吊桿是將橋面系承受的荷載通過橫梁傳到拱肋的重要結(jié)構(gòu)，恒載作用下吊桿內(nèi)力分布比較均勻，但是由于移動荷載的作用，吊桿的內(nèi)力分布將會發(fā)生較大的變化，為了明確結(jié)構(gòu)正常使用情況下吊桿的內(nèi)力分布，計算吊桿在恒載+活載工況下的張力數(shù)值并與恒載作用下的吊桿張力進行對比。

圖1 恒載+活載作用下吊桿張力

由圖1可以看出，在恒載+活載工況下，雙橫啞鈴型拱肋（綴板填混凝土）與雙橫啞鈴型拱肋（綴板不填混凝土）吊桿拉力大致相當，均大于四肢桁架拱肋吊桿在恒載+活載工況下的拉力，但是三者數(shù)值相差較小；其次，三種拱肋邊吊桿由于較短，其線剛度較大，因此，邊吊桿的拉力較跨中吊桿大，其中四肢桁架拱肋邊吊桿的變化幅度最大。

3.2 恒載+活載作用下拱肋內(nèi)力

橋梁結(jié)構(gòu)除了承受自重之外，還要承受外荷載作用，其中最重要且最常見的就是汽車荷載。因此，要想了解結(jié)構(gòu)的受力性能，不僅要研究結(jié)構(gòu)在自身恒載作用下產(chǎn)生的效應(yīng)，更應(yīng)該研究結(jié)構(gòu)在外荷載作用下的受力行為，本小節(jié)利用有限元程序計算了不同截面參數(shù)下拱肋在恒載+活載工況下產(chǎn)生的效應(yīng)，以期找出三種形式拱肋受力上的優(yōu)缺點以及供設(shè)計參考的可行性。

經(jīng)模擬計算，三種截面拱肋結(jié)構(gòu)在恒載+活載工況作用下，無論上拱肋還是下拱肋均為全截面受壓，拱肋截面中管內(nèi)混凝土承擔的軸力最大。上拱肋中綴板承擔的軸力最小，綴板混凝土次之，管內(nèi)混凝土承擔的軸力最大；下拱肋中綴板混凝土承擔的軸力最小，鋼管次之，管內(nèi)混凝土承擔最大；相較于上拱肋，下拱肋承擔軸力更大；與恒載作用相比，在 0-1/8L范圍內(nèi)，在恒載+活載工況下鋼管承擔的軸力增加約39.78%，跨中增加約22%；管內(nèi)混凝土增加約21%；綴板混凝土在拱腳處增加近50%，跨中增加約36%。在恒載+活載作用下，上拱肋中不同位置截面的鋼管和混凝土承擔的軸力變化幅度較大，上拱肋自拱腳至拱頂軸力逐漸增大，下拱肋自拱腳至拱頂軸力逐漸減小；恒載+活載作用下拱肋彎矩較恒載作用下增加較明顯，上拱肋中鋼管彎矩大于混凝土承擔的彎矩；下拱肋中，混凝土所受彎矩與鋼管所受彎矩幾乎相當。四肢桁架拱肋管內(nèi)混凝土承擔的軸力均大于鋼管的軸力，混凝土承擔的彎矩略大于鋼管承擔的彎矩，相差約19%。

對比三種拱肋受力圖發(fā)現(xiàn)，三種不同截面組成的拱肋不同部分所受軸力相差較大，對于鋼管部分，四肢桁架拱肋所受軸力最小，雙橫啞鈴型拱肋（綴板不填混凝土）所受軸力最大，雙橫啞鈴型拱肋（綴板填混凝土）居中；對于混凝土部分，雙橫啞鈴型拱肋（綴板不填混凝土）所受軸力最小，雙橫啞鈴型拱肋（綴板填混凝土）所受軸力最大，四肢桁架拱肋居中；從整體受力來看，雙橫啞鈴型拱肋（綴板填混凝土）所受軸力最大，四肢桁架拱肋所受軸力與雙橫啞鈴型拱肋（綴板不填混凝土）相當，但是四肢桁架拱肋略大。

4 結(jié)束語

（1）在靜力方面，恒載作用下，雙橫啞鈴型桁式拱肋吊桿所受張力與鋼管綴板是否填充混凝土基本無關(guān)；在拱肋跨中，鋼管綴板不填混凝土拱肋的吊桿張力相比其他位置下降的多；四肢桁架式拱肋結(jié)構(gòu)的吊桿張力小于雙橫啞鈴型桁式拱肋結(jié)構(gòu)的吊桿張力；在恒載+活載工況下，雙橫啞鈴型拱肋（綴板填混凝土）與雙橫啞鈴型拱肋（綴板不填混凝土）吊桿拉力相當，略大于四肢桁架拱肋的吊桿拉力，相差較小；其次，三種拱肋邊吊桿的拉力較跨中吊桿大，其中四肢桁架拱肋邊吊桿的變化幅度最大。

（2）在拱肋所受軸力方面，恒載和恒載+活載兩種工況下，三種不同截面組成的拱肋不同部分所受軸力相差較大，對于鋼管部分所受軸力，四肢桁架拱肋<雙橫啞鈴型拱肋（綴板填混凝土）<雙橫啞鈴型拱肋（綴板不填混凝土）；對于混凝土部分，雙橫啞鈴型拱肋（綴板不填混凝土）<四肢桁架拱肋<雙橫啞鈴型拱肋（綴板填混凝土）；從整體受力來看，雙橫啞鈴型拱肋（綴板填混凝土）軸向受力最大，四肢桁架拱肋軸向受力與綴板不填混凝土雙橫啞鈴型拱肋相當，但是四肢桁架拱肋略大。