鋼管混凝土拱梁組合體系橋梁施工階段拱座應力分析

邵小軍

摘要：鋼管混凝土拱梁組合橋梁施工采用整體吊裝方案時，整體吊裝后的系梁內勁性骨架處于空鋼管階段，結構受力復雜。文章以某實際橋梁為例，采用ABAQUS建立局部有限元模型，對拱肋與系梁勁性骨架連接部位的應力分布特點進行了分析。結果表明：拱肋與系梁勁性骨架連接節點應力在允許范圍內，沒有出現局部屈曲現象;拱肋最大Mises等效應力出現在下端管的下邊緣與系梁加勁骨架上鋼板交界處;系梁勁性骨架節點出現較為明顯的應力集中現象，最大Mises等效應力出現在第一根斜腹桿與下弦管連接節點部位，離索力張拉端越遠，節點局部應力集中程度越小。建議在系梁鋼管桁架的弦管內填充混凝土，以增加整個系梁勁性骨架的剛度，并減小連接節點的應力集中程度。

關鍵詞：鋼管混凝土拱梁組合橋梁;拱座;勁性骨架;局部應力;ABAQUS

中圖分類號：U443.23 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.022

文章編號：1673-4874（2019）09-0076-02

0引言

隨著鋼管混凝土在拱橋中的大量應用，由鋼管混凝土拱肋、混凝土系梁、吊桿、橫梁及橋面系形成的拱梁組合體系橋梁具有受力合理、外形美觀的特點，在我國得到了廣泛的應用，特別是位于軟弱地基橋位的中小跨徑城市橋梁.通常，此類拱梁組合體系橋梁的施工采用先梁后拱方案，先架設主梁，然后在主梁上拼裝拱肋。但由于某些原因，無法采用先梁后拱方案，而采用將鋼管拱肋和主梁勁性骨架先焊接成一體，整體浮運到橋位，然后現澆混凝土系梁，最后灌注拱肋混凝土的施工方法，這種施工方法可免去在水中搭設腳手架，而且施工速度也快。

在整體吊裝拱肋和系梁勁性骨架后，為避免系梁產生過大的水平推力，往往先需要張拉一定量的系桿索力。此時，拱肋和勁性骨架處均為空鋼管，兩者連接構造和受力復雜，采用桿系結構計算很難得到實際的應力分布情況.因此，往往對此拱腳部位進行模型試驗或數值分析。本文以某實際拱梁組合體系橋梁為背景，采用有限元分析方法，對整體吊裝后的連接部位進行分析，了解其局部應力的分布規律和大小，并提出相應的構造措施，為相關類似工程提供參考。

1工程概況

某橋梁主橋上部結構采用下承式鋼管混凝土系桿拱結構形式，全長404.2m，橋跨布置為[4x25+3x25+98.16（計算跨徑95m）+5x25]m.下部結構采用柱式墩，樁基接承臺群樁基礎，橋梁總體布置如圖1所示。主拱肋計算矢跨比為1/5，拱肋采用啞鈴型鋼管混凝土截面，拱肋高度為2.5m，鋼管外徑為100cm，壁厚16mm，混凝土系梁的勁性骨架是鋼管桁架，由弦桿鋼管斜腹桿、豎腹桿、鋼管立柱，橫向加勁肋和上下矩形加勁鋼板組成。其中拱肋、加勁板及勁性骨架主桁架弦桿鋼管等鋼材采用Q345D鋼，其它構件采用Q235B鋼。拱肋與勁性骨架的連接具體構造如圖2所示。

2有限元模型

采用大型通用有限元程序軟件ABAQUS建立計算模型，模型包括拱座7.0m長啞鈴型主拱肋（含內外加勁肋），系梁內加勁桁架取拱座變截面6m內桁架區段、鋼管立柱、上下矩形加勁鋼板及其附屬加勁肋。工程中鋼管壁厚遠小于構件尺寸，比較適合采用板殼單元，采用四節點殼單元（S4R）進行分析。模型共劃分單元119975個，節點119734個。有限元模型如圖3所示，模型x方向為順橋向，y為豎向，z為橫橋向。

有限元模型施加荷載通過全橋桿系模型計算，按拱肋最不利荷載組合得到，在拱肋和縱梁選取斷面加載。其中，主拱肋軸壓力為2290kN，彎矩-133.99kN·m，系梁勁性骨架上弦管軸拉力為30kN，下弦管軸壓力為30kN，系桿索力為960kN。在拱肋、加勁梁加載面質心位置建立節點，與加載板上其他各點形成剛臂單元。在加載板上施加軸力、剪力、彎矩等節點荷載;對于系桿索力，按照實際應力對錨墊板施加面荷載。模型約束條件為底部為固結約束端。

3計算結果及分析

圖4為主拱肋鋼管Mises等效應力云圖，最大值出現在主拱肋下端管的下邊緣與加勁梁上鋼板交界處，為69.3MPa，小于鋼管屈服應力345MPa。

下頁圖5為系梁鋼管勁性骨架的Mises等效應力云圖。從應力云圖中可以明顯看出，系梁勁性骨架各腹桿與弦桿連接節點處的應力集中很明顯，最大等效應力出現在第一根斜腹桿與下弦管連接節點部位，為247MPa，由此可見，為減小連接節點處的局部集中應力，在下弦管內填充混凝土是一種比較好的辦法.對于勁性骨架的組成構件，如上下鋼板、立柱及弦管鋼管、橫撐、等肢角鋼等，最大等效應力為162MPa。

為了解張拉的部分系桿索力沿勁性骨架的傳力途徑，選取勁性骨架上弦縱向鋼管沿橋梁縱向連線作為1、2號路徑;下弦縱向鋼管沿橋梁縱向連線作為3、4號路徑;上側矩形加勁鋼板沿縱向軸線連線作為5號路徑;勁性骨架靠近預應力張拉端豎向鋼管自下而上作為6號路徑;勁性骨架靠近預應力張拉端斜向鋼管自下而上作為7號路徑。如圖6所示。

圖7為各構件的應力分布情況。從圖7（a）中可以看出，在彎矩、剪力及管內預應力的共同作用下，勁性骨架下弦鋼管為主要受力桿件，縱向弦管Mises等效應力介于5-247MPa之間，勁性骨架鋼管桁架結構受力特點明顯，在每個節點連接部位均出現應力集中現象，應力最大值發生在靠近預應力張拉端的勁性骨架下弦節點處，離索力張拉端越遠，節點局部應力集中程度越小。從圖7（b）中可以看出，拱肋與系梁勁性骨架連接處矩形鋼板Mises等效應力介于2.3-42.5MPa之間，應力突變出現在與拱肋連接部位、系梁勁性骨架連接處的橫向加勁肋部位，表明最大應力出現在靠預應力張拉端與拱肋的交界線處。從圖7（c）、7（d）中可以看出，系梁勁性骨架豎向和斜向支管Mises等效應力介于10-120MPa之間，總體而言，應力水平在70MPa左右，由于連接節點局部應力集中的原因，應力最大值發生在靠近預應力張拉端的勁性骨架下弦節點處。

4 結語

本文通過建立某鋼管混凝土拱梁組合體系橋梁的有限元局部模型，對其拱肋與勁性骨架系梁連接部位在關鍵施工階段的應力分布特點進行了分析，結果如下：

（1）為解決鋼管混凝土拱梁組合體系橋梁施工過程中支架的搭設問題，采用將拱肋與系梁勁性骨架焊接進行整體吊裝的方法是可行的，拱肋與系梁勁性骨架連接節點應力在允許范圍內，沒有出現局部屈曲現象。

（2）拱肋最大Mises等效應力出現在下端管的下邊緣與系梁加勁骨架上鋼板交界處。系梁勁性骨架出現明顯的鋼管桁架結構受力特點，連接節點出現較為明顯的應力集中現象，最大Mises等效應力出現在第一根斜腹桿與下弦管連接節點部位，離索力張拉端越遠，節點局部應力集中程度越小。

（3）工程實際中，在整體吊裝拱肋與系梁勁性骨架之前，有必要對系梁勁性骨架進行加勁處理。建議在鋼管桁架的弦管內填充混凝土，不但可增加整個系梁勁性骨架的剛度，而且可以減小連接節點的應力集中現象。