連續(xù)梁拱橋拱梁結(jié)合面空間靜力行為研究

李新舜

（四川藏區(qū)高速公路有限責(zé)任公司， 四川 成都 610041）

1 工程概況

某連續(xù)梁拱體系組合橋主橋是由預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁與鋼管混凝土拱的組合結(jié)構(gòu)，跨徑布置為64.95+136+64.95=265.9m，如圖1 所示。主梁和拱座均為混凝土結(jié)構(gòu)，主梁采用單箱雙室變高度箱形截面，拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)。梁拱組合橋結(jié)構(gòu)受力性能獨(dú)特，而許多工程結(jié)構(gòu)的破壞失效大多都是從局部開始，截至目前已有較多連續(xù)梁拱組合橋拱座附近出現(xiàn)了裂縫病害，拱梁結(jié)合面局部受力情況備受關(guān)注。為在施工階段提供理論建議并保證橋梁結(jié)構(gòu)體系安全營(yíng)運(yùn)，因此對(duì)拱梁結(jié)合面進(jìn)行受力分析。

圖1 橋梁立面布置圖

2 模型建立與參數(shù)設(shè)置

2.1 模型建立

本文主要研究拱梁結(jié)合面的受力情況，暫未考慮普通鋼筋以及橫橋向、順橋向預(yù)應(yīng)力筋效應(yīng)影響，僅考慮豎向預(yù)應(yīng)力作用效應(yīng)，同時(shí)將鋼管混凝土拱肋簡(jiǎn)化為實(shí)體鋼拱肋，根據(jù)設(shè)計(jì)資料利用Ansys 建立三維有限元實(shí)體模型，網(wǎng)格單元?jiǎng)澐秩鐖D2 所示。

圖2 拱梁結(jié)合部有限元模型

2.2 參數(shù)設(shè)置

2.2.1 材料參數(shù)

主梁和拱座均采用C55 混凝土，拱圈采用Q345qD 鋼，預(yù)應(yīng)力筋采用PSB930Φ32 高強(qiáng)精扎螺紋鋼筋。材料特性參數(shù)見表1。其中，C55 砼中1為軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，2為軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Q345 鋼中1為板厚16mm＜≤35mm 強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，2為35mm＜≤50mm 強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Φ32 螺紋鋼中1為抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，2為抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

表1 橋梁結(jié)構(gòu)材料特性表

2.2.2 荷載參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)資料可知，拱截面為啞鈴型，且軸力荷載僅由啞鈴上下兩端圓形拱截面承受，拱座與梁體0 號(hào)段配預(yù)應(yīng)力筋，軸力荷載與豎向預(yù)應(yīng)力荷載值見表2。

表2 拱圈軸力與主梁預(yù)應(yīng)力荷載表

2.2.3 邊界條件

由于梁體自身剛度較大，成橋狀態(tài)相鄰截面剛接且不發(fā)生旋轉(zhuǎn)和剪切變形，故將主梁兩端截面采用固結(jié)方式進(jìn)行模擬。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 對(duì)稱性分析

已知三維有限元模型是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為研究結(jié)構(gòu)在實(shí)際施工和營(yíng)運(yùn)過程中是否受扭以及有其他力學(xué)特征，因此對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)稱性分析。在兩拱座對(duì)應(yīng)位置選定兩條路徑，此處以拱座外側(cè)縱向路徑為研究點(diǎn)，圖3、圖4為路徑示意圖（下文適用），對(duì)稱性分析結(jié)果如圖5、圖6 所示。

圖3 左拱座縱向、橫向路徑1

圖4 左拱座縱向、橫向路徑2

圖5 左右拱座X 軸位移

圖6 左右拱座Y 軸位移

圖5、6 表明左右兩拱在X 軸（橫向）、Y 軸（豎向）位移值完全相等，少量點(diǎn)位誤差不超過1%，由此可知結(jié)構(gòu)在X、Y 方向滿足對(duì)稱性要求。Z 軸與Y 軸相似，兩拱座位移完全同步，此處不再作圖。根據(jù)變形協(xié)調(diào)原理可知拱梁結(jié)合部位應(yīng)力狀態(tài)也滿足對(duì)稱性要求，總體穩(wěn)定可靠。

3.2 結(jié)合面應(yīng)力分析

為進(jìn)一步了解結(jié)合面內(nèi)部應(yīng)力分布狀態(tài)，以X 軸為法向軸進(jìn)行切片分析，結(jié)合面范圍內(nèi)的X 取值在4.8m～6.3m 之間，由于篇幅原因，此處僅展示X=5.55 剖面的第一主應(yīng)力分布圖，見圖7～圖8，第三主應(yīng)力分布圖見圖9、圖10 所示。

圖7 拱梁結(jié)合段第一主應(yīng)力分布圖

圖8 X=5.55m 剖面第一主應(yīng)力分布圖

圖9 拱梁結(jié)合段第三主應(yīng)力分布圖

圖10 X=5.55m 剖面第三主應(yīng)力分布圖

根據(jù)第一強(qiáng)度理論，結(jié)合以上應(yīng)力圖分析可知，拱梁結(jié)合面的最大拉應(yīng)力（第一主應(yīng)力）不超過1.29MPa，最大壓應(yīng)力低于1.88MPa，均滿足混凝土的極限抗拉、抗壓強(qiáng)度，可初步判斷拱梁結(jié)合面在施工以及營(yíng)運(yùn)期間不會(huì)出現(xiàn)荷載導(dǎo)致的開裂。

3.3 結(jié)合面應(yīng)力極值分布

圖11 縱向路徑1 應(yīng)力云圖

圖12 縱向路徑2 應(yīng)力云圖

圖13 拱座縱向路徑1、2 應(yīng)力圖

圖14 拱座橫向路徑1、2 應(yīng)力圖

根據(jù)對(duì)拱梁結(jié)合面設(shè)置若干縱向路徑和橫向路徑進(jìn)行對(duì)比分析，得知拱座內(nèi)側(cè)邊緣（縱向路徑1）應(yīng)力最大，拱座外側(cè)邊緣（縱向路徑2）應(yīng)力最小，且兩條路徑應(yīng)力從近拱端到遠(yuǎn)拱端整體呈減小趨勢(shì)分布，橫向路徑從內(nèi)側(cè)到外側(cè)也是逐漸減小。

3.4 鋼拱von mises 應(yīng)力分析

圖15 鋼拱等效應(yīng)力分布圖

圖16 X=5.55m 剖面等效應(yīng)力分布圖

根據(jù)第四強(qiáng)度理論（形狀改變能密度理論）可知，鋼材屬于塑性材料。通過von mises stress（等效應(yīng)力）來研究鋼拱內(nèi)部的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，鋼拱所受應(yīng)力均小于其本身許用應(yīng)力值，不會(huì)發(fā)生屈服失穩(wěn)。

4 結(jié)束語

（1）根據(jù)既有資料對(duì)64.95+136+64.95=265.9m 連續(xù)梁拱橋營(yíng)運(yùn)狀態(tài)下拱梁結(jié)合段受力狀況進(jìn)行數(shù)值模擬分析，單個(gè)拱座承受荷載取2700噸，經(jīng)計(jì)算可知拱梁結(jié)合面最大拉應(yīng)力不超過1.29MPa，最大壓應(yīng)力小于1.88MPa，均滿足混凝土的極限抗拉、抗壓強(qiáng)度。

（2）拱座內(nèi)側(cè)（車道側(cè)）應(yīng)力大于外側(cè)（人行道側(cè)）應(yīng)力，從近拱端（靠跨中一側(cè)）到遠(yuǎn)拱端（靠橋頭一側(cè)）整體呈先快速增大再逐漸減小的分布趨勢(shì)；近拱端內(nèi)側(cè)到外側(cè)應(yīng)力逐漸減小，遠(yuǎn)拱端內(nèi)側(cè)到外側(cè)應(yīng)力總體較小，呈先緩慢減小再增大的分布趨勢(shì)，此現(xiàn)象符合應(yīng)力擴(kuò)散規(guī)律。

（3）本文模型中鋼管混凝土拱用各向同性材料替代，后期可針對(duì)鋼管混凝土拱澆筑以及拱肋穩(wěn)定性作進(jìn)一步驗(yàn)證分析。