斜靠式拱橋有限元靜力分析

申富林

（廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 廣州 510006）

0 引言

斜靠式拱橋是一種新型拱橋受力結(jié)構(gòu)體系，主要依靠?jī)善鞴昂蛢善笨抗敖M合成[1～2]。該類橋梁的主要承重結(jié)構(gòu)為中間平行的主拱肋，傾斜的斜靠拱肋承受人群以及非機(jī)動(dòng)車道的荷載，并增強(qiáng)抗扭轉(zhuǎn)和傾覆的能力。斜靠拱與主拱通過橫撐將連接成一個(gè)側(cè)向剛度強(qiáng)大的空間穩(wěn)定體系，與一般梁拱組合體系橋相比，斜靠式拱橋的最大不同在于主拱間未設(shè)橫撐，依靠斜靠拱來代替風(fēng)撐帶來的穩(wěn)定[3～4]。

1 有限元模型

本文選選取的斜靠式鋼筋混凝土拱橋跨徑為68m，主拱以及斜靠拱的拱軸線均為懸索線，其中主拱失跨比為1:4.5，斜靠拱在拱圈平面內(nèi)的失跨比1:4.2；在主墩到跨中處全橋?qū)挾扔?3.600m 變化至55.004m；橋梁下部結(jié)構(gòu)采用承臺(tái)柱式橋墩以及鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

采用大型商業(yè)有限元軟件Midas/civil 建立整體模型，該模型共有單元1894 個(gè)，包括有空間桁架，空間梁以及板單元三種。桁架單元運(yùn)用于主拱吊桿以及斜拱吊桿，共有75 個(gè)。空間梁?jiǎn)卧\(yùn)用于主拱，斜拱端橫梁等，共有1252 個(gè)單元。板單元運(yùn)用于橋面板，共567 個(gè)單元。斜靠拱處支座和端橫梁處的支座的支撐方式采用節(jié)點(diǎn)彈性支撐，并且僅存在豎向約束。由于主拱拱腳和端橫梁之間存在共同節(jié)點(diǎn)，因此不需要采用剛性連接[5～6]。

2 施工過程主要構(gòu)件受力分析

該橋梁采用滿堂支架的施工方法，分為三次張拉拱肋與主梁和橋面系之間的吊桿。由于篇幅限制，本文僅給出部分工況下的重要截面彎矩值。

從下表1 中的數(shù)據(jù)可知：

1）在主拱拱腳處的彎矩由于是拱上部受拉力作用，因此彎矩絕對(duì)值逐漸變小；主拱跨中位置為下面受拉，拱腳彎矩處的絕對(duì)值較大。

2）主拱混凝土和鋼筋的彎矩具有一樣的趨勢(shì)，是因?yàn)樵谟邢拊浖袃蓚€(gè)具有節(jié)點(diǎn)相同的梁?jiǎn)卧霓D(zhuǎn)角位移是一致的，因此主拱處的混凝土和鋼筋的彎矩具有相同的趨勢(shì)，只是由于兩者剛度不同導(dǎo)致數(shù)值等比例放大或縮小。

3）在鋼管內(nèi)混凝土強(qiáng)度達(dá)到95%之后，主橋橋面板及濕接縫澆筑完成后，分別進(jìn)行吊桿力的第一次張拉、第二次張拉和第三次張拉，在施加二期恒載之后結(jié)構(gòu)才形成拱結(jié)構(gòu)，此時(shí)吊桿的張拉力連接拱和梁的作用，因此，此時(shí)的索力值即為成橋索力。

3 成橋靜力分析

成橋即為加上二期恒載后的狀態(tài)，橋梁主要結(jié)構(gòu)的彎矩和吊桿索力如表1、表2 所示。由于篇幅限制，本文僅列出部分?jǐn)?shù)據(jù)。

表1 施工過程主要構(gòu)件彎矩分布表（單位：kN.m）

表2 實(shí)際成橋索力以及設(shè)計(jì)索力對(duì)比表（單位：kN）

從上表可知，經(jīng)驗(yàn)算的成橋索力同設(shè)計(jì)時(shí)相符合。

1)主拱吊桿和斜拱吊桿最大拉應(yīng)力均小于強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1670MPa；

2)主拱鋼管R235 抗拉壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為195 MPa；HRB335 抗拉壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為280 MPa，因此主拱鋼管應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求；

3)主拱C50 混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為22.5MPa，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1.82MPa，因此主拱混凝土應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求；

4)端橫梁，梁格系，斜拱以及結(jié)構(gòu)橫撐處的R235 抗拉壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值均為194 MPa，HRB335 抗拉壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值均280 MPa，因此端橫梁，斜拱應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

斜靠式拱橋是一種較為復(fù)雜的空間梁拱組合體系橋，該種橋梁受力復(fù)雜，除了具備一般拱橋受力特點(diǎn)外，還具有空間效應(yīng)。本文通過對(duì)斜靠式鋼筋混凝土拱橋的整體進(jìn)行計(jì)算之后，驗(yàn)算得到的成橋索力同設(shè)計(jì)索力相符合，在成橋狀態(tài)時(shí)，橋梁各結(jié)構(gòu)應(yīng)力均不大于相應(yīng)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，符合規(guī)范要求。