下承式鋼管混凝土系桿拱橋穩(wěn)定性分析

黃 華

(重慶巨能建設集團路橋工程有限公司 重慶市 401329)

0 引言

近年來，隨著技術的進步發(fā)展，橋梁建設突飛猛進，在橋梁建設過程中不僅對結構安全高度重視，而且對其美觀效果也逐步重視。鋼管混凝土拱橋的出現對于橋梁的外觀是一大提升[1-2]。特別是系桿類拱橋具有諸多優(yōu)勢，不僅有良好的抗彎性，而且具有強抗壓性[3]。下承式鋼管混凝土拱橋由于其受力和構造的復雜性，對其穩(wěn)定性研究分析是非常有必要的。有學者借助有限元分析法對拱橋穩(wěn)定性進行了研究，金成棣[4-5]等對組合式拱橋橋面內外以及系桿拱橋的穩(wěn)定性進行了研究分析；徐超[6]以淮州灣大橋為依托，借助MIDAS有限元，建立下承式鋼箱系桿拱橋有限元模型，采用特征值屈曲分析對其穩(wěn)定性進行了計算分析；徐興偉[7]運用MIDAS有限元分析了鋼管混凝土系桿拱橋在風荷載作用下其施工階段拱腳應力分布規(guī)律；詹剛毅等[8]依托余信貴大橋，并借助MIDAS有限元，開展了中承式蝴蝶形系桿拱橋的受力性能分析，并對全橋的穩(wěn)定性進行了分析；高峰[9]采用GEO5有限元對鋼管混凝土拱橋施工階段的吊桿應力進行了分析；李艷鳳等[10]借助MIDAS有限元，建立下承式系桿拱橋模型，對其施工階段的受力特性進行了研究分析，主要研究其吊桿索力和拱肋的應力變形的規(guī)律；陳世民等[11]采用有限元軟件MSC.NASTRAN建立鋼管混凝土拱橋模型，研究了在施工及運營階段非線性應力的變化規(guī)律；傅根根等[12]研究了管內混凝土脫空對鋼管混凝土拱橋的穩(wěn)定性影響。綜上所述，文獻中均未對下承式鋼管混凝土系桿拱橋的穩(wěn)定性進行分析，因此，借助MIDAS有限元，研究分析了下承式鋼管混凝土系桿拱橋的穩(wěn)定性，以期指導此類拱橋的優(yōu)化設計。

1 工程概況及靜力荷載

1.1 工程概況

以某下承式鋼管混凝土拱橋為研究對象，全橋80.5m，是某省道的控制性工程。主橋采用66m系桿拱橋，該下承式鋼管混凝土的拱軸線為懸鏈線，拱軸系數m=2.6，拱肋軸線理論矢高20m，矢跨比為1/2.6，拱肋橫向中心距為30.5m。拱肋的鋼管內灌注C60混凝土。

1.2 靜力荷載

(1)工況一：自重包括拱圈、吊桿、系桿、中橫梁和端橫梁；施加自重系數為-1。

(2)工況二：二期恒載，按照《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)取值；橫梁跨中取-20kN，懸臂段取值為-40kN。

(3)工況三：吊桿張拉力；取值為700kN。

(4)工況四：不利活載；取值為-40kN。

(5)工況五：最大移動荷載；取值為-46.6kN。

2 有限元模型的建立

2.1 有限元模型

采用midascicil建立主橋有限元模型，拱圈、系桿、中橫梁和端橫梁均采用梁單元模擬，吊桿采用桁架單元模擬，邊界條件均采用固定約束。有限元模型見圖1。

圖1 鋼管混凝土系桿拱橋有限元模型

2.2 材料特性取值

拱圈采用16Mnq鋼和C60混凝土組合，中橫梁、端橫梁和系桿采用C50混凝土，吊桿采用高強鋼絞線，具體參數見表1。

表1 材料參數特性

3 靜力計算結果及分析

3.1 各工況下拱圈內力分析

拱圈在各工況下的彎矩圖、軸力圖見圖2、圖3，軸力“+”表示受拉，彎矩和軸力最值統(tǒng)計見表2。

由圖2、表2可知，五種工況拱圈的最大彎矩均發(fā)生在拱腳處，工況一至工況五下彎最大值分別為：1000kN·m、763kN·m、263kN·m、106kN·m，211kN·m。由以上數據可知在工況一自重作用下，對彎矩的影響最大，其次是工況二二期恒載的作用，其中工況四不利活載對拱圈彎矩的影響最小。因此在設計時主要考慮自重對拱圈彎矩的影響。

圖2 各工況下拱圈彎矩圖

圖3 各工況下拱圈軸力圖

表2 彎矩和軸力值

由圖3和表2可知，五種工況下，軸力的最大值也均出現在拱腳處，工況一至工況五下軸向壓力最大值分別為：6880kN、6850kN、99.3kN、1400kN、1030kN。由以上數據可知，軸力受自重和二期恒載的影響最大，受吊桿張拉力的影響最小，不利活載和最大移動荷載對拱圈軸力的影響也不可忽略。在設計時，對于軸力的影響主要考慮自重和二期恒載的影響，吊桿張拉力的影響可忽略不計，不利活載和最大移動荷載的影響也需要著重考慮。由圖3還可以看出拱圈主要承受軸向受壓，符合鋼管混凝土拱橋設計要求。

3.2 各工況下系桿應力分析

系桿的應力分析主要分析在各工況下系桿的應力變化情況，以及在各工況下是否滿足規(guī)范要求的C50混凝土應力容許值22.4MPa。在各工況下系桿的應力云圖見圖4，應力值見表3。

圖4 各工況下系桿應力云圖

表3 各工況下系桿應力值

由圖4和表3可知，工況一至工況五作用下系桿的最大應力分別為：5.35MPa，3.41MPa，1.09MPa，1.97MPa，2.06MPa。且系桿應力均為壓應力，無拉應力出現，本文計算系桿應力時規(guī)定壓應力為“+”。自重和二期恒載作用下系桿應力變化一致，最大應力均出現在接近跨中位置，向兩端逐漸減?。辉诘鯒U張拉力的作用下，系桿的最大應力出現在兩端位置，由兩端向跨中先減小后增大，但小于兩端的應力值；在不利活載和最大移動荷載的作用下，系桿的應力變化大致相同，應力最大值出現在接近左端側位置。五種工況下，自重荷載對系桿應力影響最大，應力值為5.35MPa，壓應力未超過C50混凝土規(guī)定的容許應力值22.4MPa。

3.3 吊桿應力分析

本橋共設置了15對吊桿，根據鋼管混凝土設計規(guī)范規(guī)定，吊桿的安全系數應≥2，即吊桿的容許應力值為：[σ]≤0.5ftpk=0.5×1860=930MPa。限于篇幅，僅給出在自重作用下，吊桿的最大應力云圖見圖5，吊桿應力值見表4。由圖5和表4可知，五種工況下，對吊桿應力影響最大的是自重即工況一；且自重作用下吊桿的應力值是五種工況下的最大值，為439MPa，安全系數為7，滿足規(guī)范要求。

圖5 吊桿應力云圖

表4 各工況下吊桿應力值

4 結論

開展了鋼管混凝土系桿拱橋的穩(wěn)定性研究分析，計算了五種工況下拱橋的內力分布，并分析了主要影響拱橋穩(wěn)定的工況類型，主要從主拱圈的內力情況、系桿的應力變化情況以及吊桿的應力驗算三方面對鋼管混凝土系桿拱橋的穩(wěn)定性進行計算分析，結果表明：

(1)拱圈的內力受自重荷載和二期恒載的影響最大，在設計時應著重考慮這兩種荷載的布設。

(2)系桿的應力受自重荷載的影響最大，應力值為5.35MPa，滿足C50混凝土的規(guī)范要求(22.4MPa)，結構設計安全。

(3)吊桿應力受自重荷載的影響最大，應力值達到439MPa，經驗算，滿足吊桿的規(guī)范要求，結構設計安全。