鋼管混凝土下承式剛架系桿拱橋中墩拱腳局部受力分析

張文光 （新疆維吾爾自治區喀什地區交通運輸局，新疆 喀什 844000）

1 引言

鋼管混凝土下承式剛架系桿拱橋由于不需要副跨就能取得較大的跨越能力，在橋梁上得到較多應用。在下承式剛架系桿拱橋中，拱肋與橋墩固結，系桿看作預應力體外索，它對拱施加預應力來平衡拱的推力。對于多跨下承式剛架系桿拱橋而言，在中墩位置，兩邊拱肋與橋墩、橫梁固結，構造十分復雜，是整個結構的關鍵部分，受力情況比較復雜，采用桿系計算模型很難得到實際結構的應力分布情況，因此，通常在進行整體受力分析之后，還對拱腳節點進行局部分析，以得到結構的實際受力狀態。

本文以某兩跨下承式剛架系桿拱橋為背景，建立其中墩的實體有限元模型，對其局部受力進行分析，分析其應力分布規律，計算結果可為類似結構的設計和計算提供參考。

2 有限元模型

圖1為某兩跨鋼管混凝土下承式剛架系桿拱橋的中墩拱腳構造圖，根據實際構造，選取幾何模型包括：2.5m長的拱肋，拱腳實體部分，取一半長度11.75m帽梁。通過全橋桿系模型得到最不利荷載組合下的拱肋截面內力。拱座底部和帽梁端部為約束端，按固結考慮。

圖1 幾何尺寸及計算荷載

按照實際結構尺寸，采用大型通用程序ANSYS建立實體有限元模型，如圖2所示。鋼管采用四節點殼單元SHELL63進行分析，彈性模量E=2.06×10MPa，泊松比υ=0.3，鋼材密度ρ=7850 kg/m。混凝土部分采用實體單元solid95進行分析，鋼管內灌注混凝土E=3.6×10MPa，拱座和帽梁橫梁E=3.45×10MPa，混凝土泊松比υ=0.17，混凝土密度ρ=2650 kg/m。

圖2 有限元模型

3 計算結果及分析

圖3為有限元計算的變形結果，從圖可以看出，結構剛度比較大，固接區域的整體變形很小，在拱肋的荷載作用下，拱肋鋼－混結合段往下撓，變形也較小。

圖3 整體變形圖

圖4 拱座混凝土整體主拉應力云圖

圖5 鋼－混結合部混凝土主拉應力云圖

圖4～圖6是各部位混凝土的主拉應力云圖。可以看出，拱座兩邊結合部位混凝土以受壓為主，主拉應力比較小，基本都小于1MPa；拱肋與拱腳的鋼－混結合面同樣表現為受壓特點，主拉應力很小。從圖6橫梁混凝土主拉應力云圖可以看出，橫梁與拱腳連接部位、橫隔板與頂板連接部位均出現較小的拉應力，主拉應力最大出現在橫梁支座的位置，為1.23MPa，為局部受力行為。

圖6 橫梁混凝土主拉應力云圖

圖7～圖8是各部位混凝土的主壓應力云圖。從圖可以看出，兩邊拱腳部位以受壓為主，橫梁主壓應力很小，其以受彎為主。拱肋與拱腳結合部位出現較大壓應力，最大主壓應力最大出現在鋼－混結合交結面的位置，為12.1MPa。

圖7 拱座混凝土整體主壓應力云圖

圖8 鋼－混結合部混凝土主壓應力云圖

圖9是鋼管的von-mises應力等效云圖，從圖可以看出，由于受彎矩的作用，最大等效應力最大出現在下弦管的下翼緣。

圖9 拱腳鋼管von-mises等效應力云圖

4 結語

本文建立了某兩跨鋼管混凝土下承式剛架系桿拱橋中墩的拱腳局部有限元模型，對最不利荷載組合作用下的局部受力情況進行了分析，分析結果如下：

①拱座兩邊結合部位、鋼－混凝土結合面混凝土以受壓為主，主拉應力比較小；橫梁支座位置局部會出現較大的主拉應力，設計計算中應予以考慮；

②拱肋與拱腳結合部位出現較大壓應力，最大主壓應力最大出現在鋼－混結合交結面的位置；橫梁主壓應力很小，以受彎為主。

③拱肋受彎作用明顯，鋼管的最大等效應力最大出現在下弦管的下翼緣。