蝴蝶型鋼拱橋主副拱肋交匯區(qū)域局部應(yīng)力分析

陸 輝，覃梟雄

(廣西南天高速公路有限公司，廣西 南寧 530022)

0 引言

蝴蝶型拱橋是將豎直拱肋往橋外外傾而形成的一種新型異型拱橋，近年來，由于其造型美觀，在實(shí)際橋梁工程中得到了大量應(yīng)用[1-3]。通常，蝴蝶型拱橋采用中下承式無推力拱結(jié)構(gòu)體系，拱肋主要采用鋼箱截面形式。當(dāng)跨徑較大時(shí)，為保證結(jié)構(gòu)的橫向穩(wěn)定，一般增設(shè)副拱，通過連桿與主拱相連。但由于增設(shè)副拱，使得主、副拱肋交匯，其交界處的應(yīng)力分布十分復(fù)雜，無法通過桿系結(jié)構(gòu)模型得到其實(shí)際應(yīng)力分布狀況，需借助實(shí)體或板殼模型有限元分析得到。另外，研究還表明，鋼箱內(nèi)的加勁肋構(gòu)造會(huì)產(chǎn)生剪力滯效應(yīng)，也會(huì)對(duì)應(yīng)力分布產(chǎn)生影響[4-6]。本文以某中承式蝴蝶型拱橋?yàn)楣こ瘫尘埃⒅鳌⒏惫敖唤缣幍陌鍤び邢拊Ｐ停瑢?duì)其在施工過程中的局部應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行分析，并考察加勁肋構(gòu)造的影響，以期為類似結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析提供借鑒參考。

1 工程概況

某大橋主橋?yàn)橹谐惺戒撓涔袄呋旌狭合禇U拱橋，主拱肋外傾斜12°成蝴蝶狀，跨徑為168 m，矢高為48 m，矢跨比為1/3.5；副拱肋軸線為空間曲線，跨徑為130 m，矢高為20.742 m，矢跨比為1/6.268。主副拱肋之間的橫向連桿采用圓鋼管，橋型總體布置如圖1所示。其主、副拱均采用鋼箱截面，主拱肋截面尺寸為2.2 m×3.4 m，鋼板壁厚為20～40 mm；副拱肋截面尺寸為1.5 m×1.5 m，鋼板壁厚為16～20 mm，如圖2所示。副拱肋截面自跨中向拱腳逐漸縮減，直至與主拱完全交匯。

2 有限元模型

利用ABAQUS程序建立有限元模型，鋼板采用一階4節(jié)點(diǎn)減縮單元S4R，不考慮焊縫的影響，如圖3所示。有限元模型遠(yuǎn)離相貫線處的部分，采用幾何結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，靠近相貫線處部分，采用自由網(wǎng)格劃分。有限元的模型邊界條件為底部固結(jié)，上部主拱、副拱端施加由整體桿系結(jié)構(gòu)計(jì)算得到的荷載，如表1所示。

圖1 橋型總體布置圖(cm)

(a)主拱肋 (b)副拱肋圖2 拱肋截面圖(mm)

表1 主副拱肋施加荷載計(jì)算結(jié)果表

圖3 有限元模型云圖

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 主拱截面橫向?qū)挾确较驊?yīng)力

為分析主拱縱向加勁肋的剪力滯效應(yīng)影響，選取如圖4所示A-A～D-D四個(gè)截面沿橫向?qū)挾确较虻膽?yīng)力分布圖。由圖4可以看出，雖然在加勁肋與頂板連接處出現(xiàn)折線狀突變，但量值非常小，表明由縱向加勁肋產(chǎn)生的剪力滯效應(yīng)影響很小；主拱肋外側(cè)應(yīng)力要明顯大于內(nèi)側(cè)應(yīng)力，表明主要還是受面內(nèi)彎矩的影響。

圖4 主拱肋截面應(yīng)力分布曲線圖

3.2 主副拱肋交匯區(qū)域的局部應(yīng)力

為分析主副拱肋交匯區(qū)域在整個(gè)施工過程中的應(yīng)力分布情況，選取拱肋懸拼、拱肋合龍、中跨系桿初張拉、安裝吊桿及橋面縱橫梁，通長(zhǎng)系桿初張拉、中跨系桿二次張拉、鋪橋面板、通長(zhǎng)系桿二次張拉、橋面鋪裝、通長(zhǎng)系桿三次張拉、成橋3 650 d等11個(gè)工況進(jìn)行計(jì)算，并截取如圖5所示A-A～D-D四個(gè)截面的應(yīng)力變化計(jì)算結(jié)果。

圖5 拱肋交界處截面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果云圖

如表2所示為上述11個(gè)工況的計(jì)算結(jié)果。由此可以看出，從拱肋懸拼至中跨系桿初張拉，由于未安裝吊桿及橋面橫縱梁，總體上荷載水平較小，最大應(yīng)力為75 MPa；從安裝吊桿及橋面縱橫梁至成橋3 650 d，應(yīng)力呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，中跨系桿二次張拉后，主拱肋應(yīng)力會(huì)出現(xiàn)減小趨勢(shì)，無論是主副拱肋的上限值還是下限值，均小于容許應(yīng)力值。

表2 拱肋交界處截面應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

3.3 主副拱肋交界相貫線的局部應(yīng)力

為探討施工過程中相貫線的應(yīng)力分布情況，同樣選取上述11個(gè)工況進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)果如后頁(yè)圖6所示。從應(yīng)力分布曲線圖中可以看出，在主拱肋內(nèi)側(cè)及副拱肋頂部交界線處，距離起始3 m及6 m處出現(xiàn)應(yīng)力峰值，其中，距離主副拱肋交界線起始端3 m處為吊桿鋼板與主拱肋的交界處，距離主副拱肋交界線起始端6 m處為副拱肋橫隔板與主副拱肋交界處。由此可見，外部構(gòu)造對(duì)于應(yīng)力集中影響明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過建立某蝴蝶型鋼拱橋主副拱交匯區(qū)域的有限元模型，對(duì)其在施工過程的應(yīng)力分布特點(diǎn)進(jìn)行了分析，結(jié)果如下:

(a)主拱肋內(nèi)側(cè)交界線

(b)副拱肋頂部交界線圖6 拱肋交界處應(yīng)力分布曲線圖

(1)通過對(duì)交界處主拱肋的應(yīng)力分析，可以看出，主拱肋應(yīng)力主要受彎矩影響，縱向加勁肋的剪力滯效應(yīng)影響不大。

(2)從拱肋懸拼至中跨系桿初張拉，總體上荷載水平較小，從安裝吊桿及橋面縱橫梁至成橋3 650 d，應(yīng)力呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。中跨系桿二次張拉后，主拱肋應(yīng)力出現(xiàn)減小趨勢(shì)。

(3)主、副拱肋相貫線的應(yīng)力分布表明，外部構(gòu)造對(duì)應(yīng)力集中的影響明顯。工程實(shí)際中，應(yīng)考慮吊點(diǎn)、主副拱交匯區(qū)域的設(shè)置，以減小其對(duì)應(yīng)力集中的影響。