鋼管拱橋施工力學特性建模與分析

翁偉

摘要：文章以當前我國鋼管拱橋的建設施工為研究背景，介紹了鋼管拱橋應用情況及發(fā)展現(xiàn)狀，分析了國內(nèi)已建的比較典型的鋼管拱橋工程參數(shù)，搭建了鋼管拱橋有限元模型，指出了有限元軟件應用過程中應注意的問題，并對所搭建的鋼管拱橋模型分別進行了有限元靜力學和動力學方面的特性分析，具有一定的工程實用意義。

關鍵詞：鋼管拱橋;力學特性;建模;分析

中圖分類號：U448.22 文獻標識碼：A DOI：1O.13282/j.cnki.wccst.2019.07.026

文章編號：1673-4874（2019）07-0083-03

0引言

鋼管（混凝土）拱橋?qū)儆诘湫偷匿摶旖Y構橋梁，填充了混凝土的鋼管變得更加穩(wěn)固，而混凝土也因鋼管作用提高了強度。據(jù)相關統(tǒng)計，近20年來我國已建、在建的鋼管拱橋已超過400座，最大跨徑超過500m。經(jīng)過我國橋梁工程技術人員和專家們的不斷努力，現(xiàn)階段在鋼管拱橋的建設領域已取得了輝煌的成就，鋼管拱橋以其獨有的工程特性成為各類橋梁施工的首選方案。

相比于國外發(fā)達國家而言，我國在鋼管拱橋施工的理論方面的研究還不夠深入，與國外發(fā)達國家相比差距很大，而且相關的理論研究滯后于橋梁的工程實踐。由于施工材料逐漸老化、環(huán)境腐蝕以及車輛超載等因素，鋼管拱橋在使用過程中會出現(xiàn)一些問題，且由于混凝土在鋼管內(nèi)部，測量內(nèi)部具體情況的難度較大，加之鋼管拱橋的各個組件聯(lián)系較為密切，一根吊桿的損壞可引起整座橋梁坍塌。近年來有關鋼管拱橋的施工事故時有發(fā)生，給人們生命財產(chǎn)安全造成了一定的損失。為減少鋼管拱橋施工事故的發(fā)生，對其施工過程中的力學特性進行建模和分析顯得尤為必要。本文對鋼管拱橋施工中的力學結構特性進行了詳細分析，搭建了工程力學模型，研究內(nèi)容具有一定的工程應用價值。

1鋼管拱橋應用情況及發(fā)展現(xiàn)狀

在20世紀90年代初期，我國建成了第一座鋼管拱橋，即位于四川省境內(nèi)的旺蒼東河大橋，在此之后，我國的鋼管拱橋每年以20座左右的速度持續(xù)增長，在2006—2016年這10年間，鋼管拱橋的數(shù)量出現(xiàn)了歷史高峰，截至2016年年底，我國鋼管拱橋總數(shù)量接近450座，鋼管拱橋數(shù)量增長趨勢如下頁圖1所示。

通過查閱相關文獻可知，在鋼管拱橋跨徑長度方面，100m以上的有180座，跨徑超過200m的有65座，跨徑在300m以上的有十余座，最長跨徑長度已超過500m。例如在2013年竣工通車的四川瀘州境內(nèi)的合江長江一橋總跨度為530m，為中承式結構類型橋梁，采用了纜索吊運、斜拉扣掛的施工工藝，截面形式為四管桁式嘲。我國部分鋼管拱橋跨徑長度及竣工年限統(tǒng)計數(shù)據(jù)如圖2所示。

我國已建的部分鋼管拱橋工程參數(shù)（跨徑L>330m）如表1所示。由表1可知，這10座鋼管拱橋的跨徑均超過了330m，屬于長跨度鋼管拱橋。其中400m及以上的共4座，除廣州丫髻沙大橋為轉(zhuǎn)體施工之外，其余鋼管拱橋均為纜索吊運、斜拉扣掛施工。在這些鋼管拱橋中，截面形式多為四管桁式或六管桁式，黃山太平湖大橋和南寧永和大橋為橫啞鈴形桁式。其中，有4座為中承式結構類型橋梁，分別是合江長江一橋、巫山長江大橋、黃山太平湖大橋和南寧永和大橋;湖北支井河大橋、準朔鐵路黃河大橋與瀘蓉西小河特大橋為上承式結構;湘潭蓮城大橋為斜拉飛鳥式結構;廣州丫髻沙大橋為飛鳥式結構。

2鋼管拱橋施工力學特性建模與分析

2.1搭建鋼管拱橋有限元模型

搭建鋼管拱橋有限元模型的目的是為了進行鋼管拱橋結構力學特性分析。有限元模型的分析方法主要包括結構剛度、邊界條件等模擬。結構剛度通常指桿件的軸向、彎曲、剪切以及扭轉(zhuǎn)剛度等，對部分力學特性模擬要求較高的鋼管拱橋來說，還包括桿件間連接剛度等。結構質(zhì)量部分的模擬過程通常包括桿件平動和轉(zhuǎn)動質(zhì)量。應指出的問題是，在邊界條件模擬過程中，應與實際工程施工的具體支撐情況相吻合，即建模過程應盡量接近實際橋梁的施工情況。但基于橋梁在實際施工過程中各構件的受力情況十分復雜，因此，要做到有限元模擬過程與實際橋梁的施工過程完全一致是幾乎不可能的，應在計算精度和模擬工作條件允許的情況下，對有限元模型適當簡化，找到最佳、最合理的平衡點。通過有限元Midas軟件對鋼管拱橋進行空間建模，鋼管拱橋空間有限元模型如圖3所示。

2.2有限元靜力學特性分析

在成橋情況下的拱肋、縱梁和橫梁的最大截面應力均應滿足設計規(guī)范要求，并考慮到吊桿的張力作用，減少橋面縱梁引起的反撓度，使得縱梁彎矩變?yōu)樨搹澗兀l(fā)揮吊桿對橋面線性調(diào)節(jié)的作用，對縱梁的彎矩也有積極作用。在有限元靜力學分析過程中，在橋面模型上布置兩條車軌，模擬鋼管拱橋?qū)λ妮喰≤嚨妮d荷能力。在此過程中，變化小車上的砝碼來模擬各種情況下的靜力學加載數(shù)值，并簡化載荷為縱向間距和軸距。有限元靜力學加載工況如表2所示。

需要注意的問題是，在進行不同車道的載荷模擬時，拱肋最大的截面應力應為壓應力，縱梁最大截面應力為拉應力，且拱肋以及縱梁截面的應力極限值應小于鋼管的屈服強度。當載荷車道發(fā)生改變時，縱梁截面上的應力變化幅值應大于拱肋截面上的應力變化幅值。這種結果與縱梁截面受到的載荷分布有關，一般情況下，車道在縱梁截面上的載荷分布較大，且在相同載荷情況下，中部縱梁應力大于邊部縱梁。

2.3有限元動力學特性分析

鋼管拱橋結構的動力學特性規(guī)律和鋼管拱橋結構的質(zhì)量、剛度分布情況有關。鋼管拱橋結構的動力學特性包括自振頻率和阻尼系數(shù)等。對鋼管拱橋結構動力學特性進行詳細分析可找到鋼管拱橋振動規(guī)律，為鋼管拱橋整體健康狀況的監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支持，能夠保證鋼管拱橋的施工質(zhì)量及安全性。在搭建鋼管拱橋動力學特性分析的模型時，應注意有限元軟件與實際鋼管拱橋工程參數(shù)的兼容情況，依據(jù)鋼管拱橋?qū)嶋H施工中的工程參數(shù)來分析有限元模型的振動特性。在進行鋼管拱橋的有限元動力特性分析中，如果發(fā)現(xiàn)鋼管拱橋模型基波頻率超標，則表明鋼管拱橋模型整體上具有較高的剛度。有限元動力特性分析中主要以橫向的振型為主，且鋼管拱橋位于橫向上的剛度相對于縱向來說較弱，當模型出現(xiàn)橋體表面的縱向振動時，表明橋體表面在縱向上的剛度約束較小。

3結語

在對鋼管拱橋結構力學特性進行深入分析，掌握鋼管拱橋健康狀況的基礎上，本文搭建了鋼管拱橋的結構力學有限元模型，對有限元模型在靜力學和動力學兩種情況下的特性進行了討論，為鋼管拱橋在實際施工過程中各類工程參數(shù)的選取和校正奠定了基礎，對于提升鋼管拱橋的施工質(zhì)量和安全性具有重要意義。