鋼管混凝土拱－梁組合橋拱腳區(qū)域局部受力分析

張文光 （新疆維吾爾自治區(qū)喀什地區(qū)交通運(yùn)輸局，新疆 喀什 844000）

1 引言

近三十年來(lái)，鋼管混凝土拱橋在我國(guó)蓬勃發(fā)展，其中，鋼管混凝土拱－梁組合橋更是集梁橋和拱橋兩者的優(yōu)點(diǎn)于一體，以其跨越能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)剛度大、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)得到廣泛的應(yīng)用[1]。鋼管混凝土拱－梁組合橋內(nèi)部是復(fù)雜的超靜定結(jié)構(gòu)，主要由活載分布構(gòu)件、力的傳遞構(gòu)件及主要承重構(gòu)件組成，其力學(xué)原理是將承受壓力的拱肋及承受彎矩、軸力的縱梁組合起來(lái)協(xié)同受力。吊桿既作為豎向傳力構(gòu)件，又作為縱梁的支承，從而降低縱梁高度，使得結(jié)構(gòu)受力合理，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益[2-3]。對(duì)于鋼管混凝土拱－梁組合橋而言，拱腳部位與系梁、端橫梁固結(jié)，構(gòu)造復(fù)雜，是全橋受力的關(guān)鍵部位，也是結(jié)構(gòu)受力集中復(fù)雜的區(qū)域，其應(yīng)力分布難以用桿系計(jì)算模型得到[4-9]。因此，通常在進(jìn)行整體受力分析之后，還應(yīng)對(duì)拱腳進(jìn)行局部受力分析，以得到其實(shí)際受力特征[4,10]。

本文以某鋼管混凝土拱－梁組合橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用有限元法建立拱腳固結(jié)區(qū)域的實(shí)體模型，研究最不利荷載組合作用下的受力特征，為類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算提供參考。

2 有限元模型

某鋼管混凝土拱－梁組合橋的拱腳構(gòu)造如圖1所示，根據(jù)實(shí)際構(gòu)造，選取幾何模型包括：2.0 m長(zhǎng)的啞鈴型拱肋，拱腳實(shí)體部分，一半長(zhǎng)度5.05 m的端橫梁。在拱肋和縱梁選取斷面加載，荷載通過(guò)全橋桿系模型最不利荷載組合得到，系桿索力P為24901 kN。拱腳底部為約束端，按固結(jié)考慮，端橫梁固定橫橋向位移。

圖1 幾何尺寸及計(jì)算荷載

根據(jù)圖1所示結(jié)構(gòu)尺寸，采用大型通用程序ANSYS建立實(shí)體模型，為避免拱肋邊界條件對(duì)研究區(qū)域的影響，主、副拱肋截取長(zhǎng)度均為直徑的2倍以上。整個(gè)有限元模型共200042個(gè)節(jié)點(diǎn)，139829個(gè)單元，如圖2所示。其中，鋼管采用四節(jié)點(diǎn)殼單元SHELL63，彈性模量 Es=2.06×105MPa，泊松比 υs=0.3，鋼材密度ρs=7850 kg/m3。混凝土部分采用實(shí)體單元solid95，鋼管內(nèi)灌注混凝土和拱腳混凝土強(qiáng)度為C50，彈性模量Ec=3.45×104MPa，泊松比 υc=0.17，混凝土密度 ρc=2650 kg/m3。

圖2 有限元模型

在系桿預(yù)應(yīng)力錨固處、端橫梁預(yù)應(yīng)力錨固處，按照實(shí)際預(yù)應(yīng)力作用于錨墊板施加面荷載，在拱肋、縱梁加載面質(zhì)心位置建立節(jié)點(diǎn)，與加載面上其他各點(diǎn)形成剛臂單元，最后在加載面上施加軸力、剪力、彎矩等節(jié)點(diǎn)荷載。同時(shí)在拱座底部施加固結(jié)約束，端橫梁端部施加橫橋向約束。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 結(jié)構(gòu)變形

圖3為有限元計(jì)算的變形結(jié)果，可以看出，整個(gè)拱腳區(qū)域的結(jié)構(gòu)剛度較大，最大彎矩工況下，整個(gè)拱座往上翹，最大變形出現(xiàn)在啞鈴型拱肋加載斷面下緣。

圖3 整體變形

3.2 應(yīng)力分析

圖4為拱座節(jié)點(diǎn)模型的主應(yīng)力跡線圖，以矢量表示主應(yīng)力，矢量長(zhǎng)短表示主應(yīng)力大小，矢量方向表示主應(yīng)力方向，圖中用黑色、綠色和藍(lán)色分別表示第一主應(yīng)力、第二主應(yīng)力和第三主應(yīng)力。

圖4 混凝土主應(yīng)力跡線圖

整體模型主應(yīng)力跡線主要表現(xiàn)為藍(lán)色，表明受力以受壓為主。主應(yīng)力跡線分布水平方向明顯比拱肋軸向要密，為受力的最主要特征，表明拱座預(yù)應(yīng)力比較大，與系桿預(yù)應(yīng)力加載有關(guān)。矢量方向以縱橋?yàn)橹?，表明以縱向受力為主?？v橋向拱肋內(nèi)力主要表現(xiàn)為水平推力，推力由系桿預(yù)應(yīng)力來(lái)平衡，表現(xiàn)為系桿預(yù)應(yīng)力的主應(yīng)力跡線指向拱肋端部并與拱肋主應(yīng)力跡線相接，形成從拱肋至系桿預(yù)應(yīng)力錨固區(qū)主壓應(yīng)力跡線流。由于彎矩的影響，拱座底部為約束端，底部明顯出現(xiàn)兩個(gè)應(yīng)力跡線密集區(qū)，如圖4中A、B所示，且A區(qū)為黑色，B區(qū)為藍(lán)色，表明A區(qū)周圍出現(xiàn)很大的拉應(yīng)力區(qū)域，圖中表現(xiàn)為黑色矢量。

圖5～圖7為模型橫橋向、縱橋向和豎向應(yīng)力云圖，可以看出，由于拱座底部約束導(dǎo)致約束節(jié)點(diǎn)處分別出現(xiàn)最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力，表明系梁的預(yù)應(yīng)力偏心造成的不平衡，對(duì)拱座底部造成了較大的彎矩，所以，實(shí)際結(jié)構(gòu)中應(yīng)考慮系梁預(yù)應(yīng)力偏心不平衡力的影響。

圖5 橫橋向應(yīng)力云圖

圖6 縱橋向應(yīng)力云圖

圖7 豎向應(yīng)力云圖

圖8是鋼管的von-mises應(yīng)力等效云圖，可以看出，最大等效應(yīng)力最大出現(xiàn)在拱肋下端管的下邊緣。

圖8 鋼管von-mises等效應(yīng)力云圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)建立某鋼管混凝土拱－梁組合橋拱腳局部有限元模型，對(duì)最不利荷載組合作用下的拱腳區(qū)域受力特征情況進(jìn)行了分析，結(jié)果如下：

①拱腳區(qū)域整體結(jié)構(gòu)剛度比較大，在拱腳最大彎矩工況下，整個(gè)拱座往上翹，最大變形出現(xiàn)在啞鈴型拱肋加載斷面下緣；

②主應(yīng)力跡線分布水平方向明顯比拱肋軸向要密，形成拱座節(jié)點(diǎn)受力的最主要特征，表明拱座以縱向受力為主；

③拱座底部約束導(dǎo)致約束節(jié)點(diǎn)處分別出現(xiàn)最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力，表明系桿預(yù)應(yīng)力偏心對(duì)拱座底部造成了較大的彎矩，實(shí)際結(jié)構(gòu)中應(yīng)考慮系梁預(yù)應(yīng)力偏心對(duì)拱座造成的影響；

④拱肋鋼管的von-mises最大等效應(yīng)力最大出現(xiàn)在下端管的下邊緣。