鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)受力及參數(shù)設(shè)計(jì)分析

黃永忠

(廣西建工集團(tuán)第五建筑工程有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)研究院 廣西 545006)

0 引 言

鋼管混凝土拱橋造型獨(dú)特優(yōu)美，近年來(lái)在工程中被廣泛應(yīng)用.然而因?yàn)槠浒l(fā)展年限較短，相關(guān)研究還存在一些不足[1-3].王春生等[4-6]以某跨河交通橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工方法為例，采用Midas/Civil軟件進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行了分析和穩(wěn)定計(jì)算，并結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)研究了高性能鋼管混凝土拱橋受力特性；喬永平等[7-8]通過(guò)建立鋼管混凝土拱橋極限承載力分析的彈性模量縮減法，給出了混凝土強(qiáng)度、含鋼率等對(duì)鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)極限承載力的影響規(guī)律；尹志雨[9]根據(jù)某工程場(chǎng)地地震動(dòng)參數(shù)等技術(shù)資料，采用Midas/Civil建立了某大跨鋼管混凝土拱橋空間桿系有限元模型，并對(duì)該橋在地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了深入分析.然而，由于國(guó)內(nèi)目前尚無(wú)鋼管混凝土拱橋的相關(guān)針對(duì)性規(guī)范，因此，研究鋼管混凝土拱橋的穩(wěn)定性及參數(shù)影響至為重要[10].

文中以某鋼管混凝土橋梁工程為例，通過(guò)有限元分析了自重作用下拱橋的位移及受力，并對(duì)使用階段拱橋的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，最后以最不利荷載組合工況為例，對(duì)影響鋼管混凝土拱橋穩(wěn)定的參數(shù)鋼管壁厚、鋼管直徑、拱軸線形，以及橫撐類型等進(jìn)行了分析.

1 工程概況及數(shù)值模型建立

1.1 工程概況

某拱形橋梁的主體結(jié)構(gòu)為上承式鋼管混凝土橋梁，主橋的拱肋跨徑長(zhǎng)為126 m，橋梁上部結(jié)構(gòu)分為南北兩幅，引橋和拱橋上立柱的跨徑布置為12.5 m×2 m+11 m+15 m×8 m+11 m+12.5 m×2 m.對(duì)于主橋立柱，其截面為方形鋼制立柱，尺寸為0.8 m×0.8 m，而對(duì)于引橋橋墩，其截面為鋼筋混凝土方形橋墩，尺寸為1.6 m×1.6 m，全橋的主梁均采用等截面的鋼制箱梁，見圖1，為橋梁示意圖，其中圖1b)中立柱從左到右依次編號(hào)為1#，2#，3#和4#.主橋采用懸鏈?zhǔn)降墓拜S線形，拱軸系數(shù)取1.26，主拱圈跨徑取126 m，該工程的橋墩、橋臺(tái)及拱座的樁基均采用鉆孔灌注樁，橋面橫向總寬度為38.5 m.

圖1 橋梁示意圖(單位：cm)

1.2 數(shù)值模型建立

采用ANSYS13.0建立模型，整體采用Beam188單元，建立的模型共包括有1 846個(gè)單元以及548個(gè)節(jié)點(diǎn)，見圖2，為橋梁整體模型、橋梁側(cè)視圖以及拱肋和斜撐截面圖.對(duì)于拱橋的拱腳處進(jìn)行全方向的自由度約束，為了考慮橋臺(tái)伸縮縫的影響，箱梁在順橋方向上自由度放開，只在其他方向進(jìn)行自由度限制.表1為相關(guān)計(jì)算模型參數(shù).

圖2 數(shù)值模型圖

表1 模型計(jì)算參數(shù)

2 鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)受力分析

2.1 自重作用下拱橋結(jié)構(gòu)位移及受彎分析

拱橋結(jié)構(gòu)的豎向變形對(duì)于結(jié)構(gòu)的安全至關(guān)重要.圖3為自重荷載作用下各立柱截面的排架豎向位移圖，由圖3可知，四個(gè)控制截面上排架 1～17的豎向位移基本保持一致，各立柱截面的最大豎向位移依次為-32.86,-32.87,-32.87和-32.86 mm，即最大豎向位移發(fā)生在跨中截面位置.此外，從各截面排架豎向位移可知，拱橋的排架在控制截面的豎向撓度變化相對(duì)比較均勻.

圖3 自重荷載下各立柱截面的排架豎向位移

分析彎矩變化規(guī)律對(duì)于判斷結(jié)構(gòu)受力較為重要，圖4為自重荷載作用下各控制截面下不同橫撐面的彎矩圖，其中編號(hào)0和18均為拱橋兩端拱腳.由圖可知，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在兩端拱腳處，最大正彎矩出現(xiàn)在跨中位置.觀察可以發(fā)現(xiàn)從拱腳沿著拱肋向上時(shí)，彎矩是先逐漸減小，在編號(hào)4和14前后彎矩趨于0，之后從編號(hào)4和14往跨中移動(dòng)時(shí)，彎矩逐漸增大，且此時(shí)由之前的負(fù)彎矩變?yōu)檎龔澗?此外，四個(gè)控制截面的彎矩變化規(guī)律基本一致.

圖4 自重荷載下各控制截面彎矩(單位：kN·m )

2.2 使用階段拱橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

相對(duì)于自重荷載，橋梁在使用過(guò)程中的穩(wěn)定性更為重要.為了分析該橋梁在使用階段的穩(wěn)定性，選取最具有代表性的5種荷載組合情況，在有限元軟件中分別進(jìn)行計(jì)算，并求得其穩(wěn)定系數(shù).不同工況下所得橋梁結(jié)構(gòu)的第一階穩(wěn)定安全系數(shù)見表2.

表2 不同荷載工況及相應(yīng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)

由表2可知，在不同荷載組合下，工況一時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)最大，在工況四時(shí)結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定系數(shù)最小，說(shuō)明在上述五種荷載組合下，數(shù)工況四，即恒載及兩排車輛全橋滿布(偏心布置)荷載類型下結(jié)構(gòu)最不穩(wěn)定.為了探討鋼管混凝土拱橋的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性影響，下文取工況四(最不利荷載組合)進(jìn)行詳細(xì)參數(shù)分析.

3 鋼管混凝土拱橋參數(shù)設(shè)計(jì)分析

3.1 鋼管壁厚的影響分析

圖5為不同鋼管壁厚下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)，其中拱肋鋼管直徑取1 000 mm且固定不變，鋼管壁厚分別取10，12，14，16和18 mm等五種尺寸.由圖5可知，五種不同鋼管壁厚下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)隨失穩(wěn)模態(tài)階數(shù)變化規(guī)律一致，第一階失穩(wěn)模態(tài)下管壁厚度從小到大的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)分別為6.12，6.28， 6.32，6.37和6.45，即當(dāng)鋼管壁厚由10 mm增加到18 mm時(shí)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)增加了5.4%.

圖5 不同鋼管壁厚下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)

3.2 鋼管管徑的影響分析

圖6為不同鋼管管徑下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)，其中鋼管壁厚取16 mm且固定不變，鋼管直徑分別取800，900，1 000，1 100和1 200 mm等5種尺寸.由圖6可知，5種不同鋼管直徑下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)隨失穩(wěn)模態(tài)階數(shù)變化規(guī)律一致，第一階失穩(wěn)模態(tài)下鋼管直徑從小到大的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)分別為6.04，6.20，6.38，6.44和6.64，即當(dāng)鋼管直徑由800 mm增加到1 200 mm時(shí)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)增加了9.9%.

圖6 不同鋼管管徑下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)

3.3 拱軸線形的影響分析

圖7為不同的拱軸線形下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)，其中拱軸線形包括懸鏈線和拋物線兩種.由圖7可知，兩種拱軸線形下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)隨失穩(wěn)模態(tài)階數(shù)變化規(guī)律一致，懸鏈線和拋物線第一階失穩(wěn)模態(tài)下結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定系數(shù)分別為5.71和5.43，即當(dāng)選用懸鏈線拱軸線形時(shí)，其結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定系數(shù)要比選擇拋物線拱軸線形時(shí)大5.2%.

圖7 不同的拱軸線形下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性

3.4 橫撐形式的影響分析

本工程中橫撐結(jié)構(gòu)采用為K字撐，為了探討不同橫撐形式對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)影響，見圖8，取K字撐、口字撐和雙K字撐三種橫撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.圖9為不同橫撐結(jié)構(gòu)下的橋梁的穩(wěn)定安全系數(shù).由圖可知，雙K字撐時(shí)結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定系數(shù)最大，其次是K字撐，最小的是口字撐.第一階失穩(wěn)模態(tài)下三種橫撐的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)依次為4.94，6.06和8.03，即采用雙K字撐時(shí)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)要比K字撐、口字撐增加了32.5%和62.6%.因此，如果本工程采用雙K字撐，可使結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全系數(shù)增大1/3.

圖8 不同橫撐結(jié)構(gòu)

圖9 不同的橫撐形式下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性安全系數(shù)

4 結(jié) 論

1) 自重荷載作用下拱橋最大撓度發(fā)生在跨中位置，拱橋排架在控制截面豎向撓度變化相對(duì)比較均勻.最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在兩端拱腳處，最大正彎矩出現(xiàn)在跨中位置.

2) 在不同荷載組合下，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)在7.35～12.79之間，工況四恒載以及兩排車輛全橋滿布(偏心布置)即為最不利荷載組合，并對(duì)最不利荷載組合下影響拱橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的參數(shù)進(jìn)行了分析.

3) 改變鋼管壁厚、鋼管直徑以及選用不同拱軸線形對(duì)提高結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定系數(shù)不明顯，而采用雙K字撐時(shí)，可使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全系數(shù)相對(duì)于K字撐時(shí)增大近1/3.