中承式拱梁組合體系運營階段整體受力分析

■ 楊登峰 李鴻強

(新疆興亞工程建設有限公司， 昌吉 831100)

運營狀態下的橋梁承受著橋梁自身恒載、活載，風荷載等外界作用的影響，對橋梁自身穩定性是巨大的考驗。 因此，對運營狀態下橋梁的受力和變形進行分析對于保證橋梁穩定性具有重要的意義。近年來，國內學者對此進行了一些研究，主要有：文獻[1-2]以某跨河梁拱組合體系橋為研究對象，利用有限元分析軟件Midas/Civil 建立空間模型模擬，分析了梁拱組合體系橋的受力特點， 得出結構在不同施工階段下的吊桿索力及其變化趨勢， 同時研究得到在不同設計荷載組合下主梁和拱肋內力的變化趨勢；文獻[3-4]結合某拱梁組合體系橋的建設，采用有限元程序建立該橋關鍵部位結構分析空間有限元模型，模擬該部位在各種荷載工況下的受力情況，得出該部位的應力狀態；文獻[5-6]以某主橋為研究背景，對拱腳處的受力進行了分析，采用混合有限單元法，運用MIDAS/Civil 軟件建立空間有限元模型，對全橋整體和拱腳局部進行了模擬計算， 結果表明福元路湘江大橋拱腳各構件應力值均小于材料容許應力，滿足設計要求。 本文主要以某中承式拱梁橋為研究對象，通過對橋梁在恒載、移動荷載以及運營階段最不利荷載組合作用下的分析，驗算了其穩定特性，研究結果可為類似工程設計和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

某景觀大橋為中承式拱橋， 設計跨數為2 跨，每跨長度為80 m。 橋梁的拱肋采用鋼結構形式，橋梁的設計截面形式為矩形，寬度2 m。吊桿與水平之間設計角度為60°，銳角朝向中跨方向，主梁采用預應力砼箱梁，全橋共6 個支墩，分別位于橋梁兩端和中間。拱線跨度大小為67 m，失高大小為15.0 m。在橋梁的每一節段設置有3～5 個橫隔板，其厚度為15 mm；橋梁底板設置有3 道加勁板肋，方向為沿橋梁縱向；在橋梁腹板內同樣設置有間距為50 cm 的加勁板肋，沿縱向布置3～5 道，其高度和厚度值分別為250 mm 和20 mm，二期恒載值取205 kN/m。

2 數值建模

2.1 模型建立

圖1 為采用有限元軟件Midas/civil 建模得到的橋梁模型圖。 跨徑為2×80 m，吊桿為15-19 型雙吊桿索，共96 個。 其中系桿和吊桿均采用桁架進行模擬，其余結構采用梁單元進行模擬。 模型中共有589 個節點，共536 個單元，由于本文只分析上部結構，因此對于樁基的作用不予考慮，在承載下部進行固結處理，將橋梁自重、二期恒載以及預張拉應力等施加到橋梁上。 表1～2 分別為模型材料參數和鋼材料參數表。

圖1 數值模型圖

表1 模型材料參數

表2 鋼材料參數

施工過程模擬如表3 所示。

表3 工況表

3 運營階段橋梁整體受力數值分析

3.1 恒載作用下的結構受力分析

3.1.1 主梁和拱肋內力分析

圖2 為成橋狀態時主梁和拱肋的彎矩圖， 由圖可知，對于主梁的彎矩圖，在梁的兩端彎矩較大，中間彎矩值較小且分布均勻。 在有繩索分布的地方彎矩分布較為均勻，說明該橋梁的繩索設置比較合理。對于拱肋彎矩圖，除端部彎矩較大外，其他部位彎矩值較小且分布較為均勻， 最大值為7600 kN·m。 此外， 在中間部位彎矩分布呈現出有規律的波浪形變化形式，彎矩整體水平較低，且恒載作用下拱肋以受壓為主。

圖2 成橋狀態時彎矩圖

3.1.2 結構應力分析

圖3 為成橋狀態時的主梁上下緣的正應力圖，圖4 為成橋狀態時的拱肋正應力包絡圖，由圖可知，在成橋狀態下，其應力均呈現出較為均勻的分布狀態，且主梁和拱肋的截面均表現為受壓。 對于主梁， 其最大應力值為-9.57 MPa， 最小應力值為-3.03 MPa； 拱肋的最大應力值為-82.42 MPa，最小應力值為-45.04 MPa。

圖3 成橋狀態時的主梁正應力圖(單位：MPa)

圖4 成橋狀態時的拱肋正應力包絡圖(單位：MPa)

3.1.3 主梁撓度分析

圖5 為成橋狀態時的主梁撓度圖， 由圖可知，主梁撓度值均小于10 mm，在主梁兩端橋墩處撓度最大，最大值為-9.27 mm，針對這一現象，在施工過程中可采用預設值一定的預拱度來消除兩側撓度過大現象。

圖5 成橋狀態時的主梁撓度圖

3.2 移動荷載作用下的結構響應分析

為了重點分析在移動荷載下的主梁的撓度變化，圖6 示出了移動荷載下的主梁撓度圖， 由圖可知，對于該橋梁的兩個跨，均在跨中撓度值最大，最大值為8.4 mm，對于活載下的撓度規定，已知主梁跨度為80 m， 通過計算可知允許最大撓度值為160 mm，因此，移動荷載下的主梁的撓度滿足設計要求。

圖6 移動荷載下的主梁撓度圖

3.3 運營階段的最不利荷載組合下受力分析3.3.1 應力分析

在橋梁運營階段， 經常受到橋梁自身恒載、活載，風荷載等外界作用的影響，此時，在上述荷載組合情況下，橋梁會出現最不利受力狀態。 為了對橋梁在最不利狀態下的穩定性進行驗算，圖7 給出了標準組合荷載下的主梁截面和拱肋截面的正應力包絡圖。 由圖可知，在最不利狀態下，主梁最大應力值為9.81 MPa，小于設計規定的16.2 MPa，滿足設計要求。對于橋梁拱肋，最大應力值為113.09 MPa，小于設計規定的200 MPa。 綜上可知，對于橋梁主梁和拱肋，其應力均小于設計規定值，且具有較大的安全儲備空間。

圖7 標準組合下正應力包絡圖

3.3.2 吊桿和系桿應力驗算分析

圖8 為標準組合下吊桿和系桿內力圖，通過計算可知吊桿和系桿的安全系數分別為3.18 和2.71， 均大于規范要求的拱橋吊桿和系桿安全系數大于3.0 和2.5 的規定， 即在正常運營階段，吊桿和系桿的應力均滿足驗算要求。

圖8 標準組合下吊桿和系桿內力圖

4 結論

本文主要以某中承式拱梁橋為研究對象，通過對橋梁在恒載、移動荷載以及運營階段最不利荷載組合作用下的分析，驗算了其穩定特性，得到以下結論：

(1)恒載作用下，主梁的兩端彎矩較大，中間彎矩值較小且分布均勻，說明該橋梁的繩索設置比較合理。 除端部拱肋彎矩較大外，其他部位彎矩值較小且分布較為均勻，彎矩整體水平較低，拱肋以受壓為主。 施工過程中可采用預設值一定的預拱度來消除兩側撓度過大現象。

(2)移動荷載下主梁在跨中撓度值最大，最大值為8.4 mm， 滿足最大撓度值小于160 mm 的規定，即移動荷載下的主梁的撓度滿足設計要求。

(3)在最不利狀態下，對于橋梁主梁和拱肋，其應力均小于設計規定值，且具有較大的安全儲備空間。 同時在正常運營階段，吊桿和系桿的應力也均滿足驗算要求。