沙井河特大橋拱腳局部受力性能分析

梅志軍，肖碩剛，郭小平

（中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038）

鋼管砼剛架系桿拱橋以其獨(dú)特的美學(xué)效果、良好的結(jié)構(gòu)受力性能，得到了廣泛地運(yùn)用。由于鋼管砼剛架系桿拱橋是通過主拱將荷載傳遞至拱座、橋墩，受力比較復(fù)雜，因此除了對橋梁進(jìn)行整體計(jì)算外，對拱腳位置局部受力性能的研究也十分必要。本文擬對沙井河特大橋拱腳局部受力性能進(jìn)行分析，將細(xì)部分析結(jié)果與整體設(shè)計(jì)計(jì)算相結(jié)合，為設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的數(shù)值分析，也為類似橋型的計(jì)算提供參考。

1 工程概況

1.1 橋型總體布置

沙井河特大橋位于深圳市寶安區(qū)，主橋采用了一孔跨越沙井河，主孔跨徑182 m，橋?qū)?4.2 m，為深圳市目前單跨跨徑最大的市政橋梁。橋梁采用了下承式鋼管混凝土剛架系桿拱橋，雙拱肋設(shè)計(jì)，每條拱肋由4根直徑1 m的鋼管混凝土主弦管組成，全橋共設(shè)10道K字型橫向風(fēng)撐。橋面系采用了縱橫向鋼結(jié)構(gòu)格子梁體系，橋面板為鋼—混凝土組合橋面結(jié)構(gòu)。全橋兩側(cè)各設(shè)10根系桿，系桿采用了環(huán)氧涂層鋼絞線。詳見圖1。

1.2 拱座一般構(gòu)造

主拱與橋墩采用剛接體系，通過拱座與橋墩連接，拱座為8 m×6 m矩形截面鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，高約4 m；拱座頂與鋼管砼拱肋過渡段外包3 m×5 m矩形截面鋼筋混凝土；橋墩采用雙肢2 m×5 m矩形截面鋼筋混凝土墩柱，墩柱高度約7 m，墩柱底面設(shè)鋼筋砼承臺、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)；兩座拱座橫向采用了4 m×8 m箱型結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力砼橫系梁連接，引橋箱梁及主橋格子梁均支撐在橫系梁上，具體構(gòu)造見圖2。

圖1 橋型布置（立面尺寸單位：cm）

圖2 拱腳構(gòu)造

2 計(jì)算模型

2.1 模型建立

局部結(jié)構(gòu)三維仿真分析的難點(diǎn)和重點(diǎn)是邊界條件的處理和預(yù)應(yīng)力行為的模擬。本文擬從全橋結(jié)構(gòu)中切出拱腳部分進(jìn)行分析，在截?cái)嗵幗孛媸┘酉鄳?yīng)的受力及邊界條件，同時通過節(jié)點(diǎn)耦合的方式，模擬預(yù)應(yīng)力束在拱腳中的作用。首先采用橋梁空間計(jì)算軟件邁達(dá)斯（midas civil 2017）建立全橋模型（見圖3），計(jì)算出相應(yīng)位置處的最不利內(nèi)力組合，然后建立拱腳部分的實(shí)體有限元模型，最后把由全橋模型計(jì)算出的內(nèi)力加到實(shí)體有限元模型上。

圖3 midas全橋模型

實(shí)體有限元模型采用通用有限元軟件Ansys建模；拱座、橋墩、橫梁等混凝土結(jié)構(gòu)采用solid95單元進(jìn)行模擬；預(yù)應(yīng)力束采用link8單元進(jìn)行模擬，并且用約束方程將預(yù)應(yīng)力筋的節(jié)點(diǎn)與其附近的混凝土節(jié)點(diǎn)聯(lián)系起來，以考慮它們的共同作用。鋼拱肋預(yù)埋段采用shell63單元進(jìn)行模擬。為準(zhǔn)確模擬實(shí)體有限元模型邊界條件，建立無重量拱肋構(gòu)件，以模擬拱肋跨中部分的對稱約束。實(shí)體有限元模型如圖4、圖5所示。

圖4 拱腳混凝土有限元模型

圖5 拱腳+拱肋（無重量、未示意完全）有限元模型

2.2 邊界條件

邊界條件如下。1）橋墩底部：固結(jié)。2）橫梁：模型中建立橫橋向一半長度橫梁，在橫梁端部施加對稱約束（即不發(fā)生橫橋向位移，可發(fā)生縱橋向及豎向位移）。3）拱肋：模型中建立縱橋向一半長度拱肋，在拱肋端部施加對稱約束（即不發(fā)生縱橋向位移，可發(fā)生橫橋向及豎向位移）。

2.3 荷載工況

荷載工況如下：1）自重。自重包括混凝土容重、鋼結(jié)構(gòu)容重等。2）橫梁預(yù)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力束18φs15.2，張拉控制應(yīng)力 1 320 MPa，共 20束（見圖 6）。 3）系桿力。系桿力工況見表1。4）牛腿支座反力。引橋側(cè)有3處，每處反力為1 680 kN；主橋側(cè)有3處，每處反力為190 kN。5）拱肋截面受力。對于拱腳位置，最不利受力情況應(yīng)為在最大彎矩作用下，同時對應(yīng)軸力小。由于在不同荷載工況下，拱腳處軸力變化幅度相對彎矩變化值來說變化幅度小，因此從全橋模型中提取拱腳發(fā)生最大負(fù)彎矩時進(jìn)行計(jì)算。同時，取對應(yīng)情況下的拱腳軸力及剪力，具體如下所示：軸力F=47 120 kN；剪力V=543 kN；彎矩M=42 414 kN·m。

圖6 橫梁預(yù)應(yīng)力鋼束示意

表1 系桿力工況kN

荷載施加及邊界施加模型如圖7所示，圖7中未標(biāo)示橫梁預(yù)應(yīng)力束。

圖7 荷載施加及邊界施加模型

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 拱座及橋墩位移情況

拱腳的位移如圖8、圖9所示。其中，圖8是全橋模型對應(yīng)工況得到的結(jié)果，圖9是采用實(shí)體有限元模型計(jì)算得到的結(jié)果。

圖8 實(shí)體有限元模型拱座位移

圖9 全橋模型拱座位移

由圖8、圖 9可知，在系桿力及拱座相接處彎矩、軸力、剪力共同作用下，實(shí)體有限元模型和全橋模型計(jì)算出的最大縱橋向位移分別為12.99 mm及11.7 mm，均偏向跨中位置；全橋模型與實(shí)體有限元模型差值較小，可知實(shí)體有限元模型的邊界條件及荷載等模擬與全橋模型相適應(yīng)，可較準(zhǔn)確地反應(yīng)拱腳的實(shí)際受力情況。

3.2 鋼拱肋預(yù)埋段應(yīng)力情況

圖10為鋼拱肋拱座中的預(yù)埋段von-mises應(yīng)力情況。在相應(yīng)工況下，最大應(yīng)力發(fā)生在鋼拱肋預(yù)埋段底部，最大應(yīng)力值為43.9 MPa。因此，在此處應(yīng)增加承壓鋼筋網(wǎng)片，以利于應(yīng)力擴(kuò)散。從整體看鋼拱肋預(yù)埋段整體應(yīng)力水平較低，預(yù)埋段鋼板厚度可進(jìn)行細(xì)部優(yōu)化。

圖10 鋼拱肋拱座中的預(yù)埋段von-mises應(yīng)力情況

3.3 拱座應(yīng)力情況

圖11 為拱腳應(yīng)力云圖。

圖11 拱腳應(yīng)力云圖

由圖11可知，去除預(yù)應(yīng)力束錨點(diǎn)位置、系桿力錨點(diǎn)位置應(yīng)力失真區(qū)域后，整個拱座及拱腳傳力可清晰得知：淺灰色區(qū)域?yàn)槭芾瓍^(qū)，由拱腳上側(cè)部分直至拱座與橋墩相接位置；大部分受拉區(qū)域應(yīng)力值在0.65～1.91 MPa 之間，有局部超出抗拉設(shè)計(jì)值；拱腳淺灰色部分至深灰色部分為受壓區(qū)域，壓應(yīng)力小于混凝土抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度（fcd）18.4 MPa。

圖12為拱腳局部應(yīng)力云圖。

圖12 拱腳局部應(yīng)力云圖

超過部分主要位于靠近圖12淺灰色（①、③）及局部深色（②）區(qū)域，未超出混凝土抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度值（ftk）2.4 MPa。 其中，頂面部分（①）為拱腳負(fù)彎矩區(qū)域，設(shè)計(jì)配置較多粗鋼筋解決拉應(yīng)力問題；預(yù)埋段與拱座交界面（②、③）上存在局部承壓以及橫向預(yù)應(yīng)力作用的影響，拉應(yīng)力較大，故該區(qū)域應(yīng)加強(qiáng)普通鋼筋的配置。設(shè)計(jì)通過加強(qiáng)分析局部拉應(yīng)力超標(biāo)位置鋼筋，以保證拱腳受力安全。

4 結(jié)論

本文通過對沙井河特大橋拱腳的實(shí)體有限元模型分析，并分析拱腳的受力形態(tài)，得出拱腳在最不利作用下的應(yīng)力情況，分析其可能存在的問題，并通過必要的構(gòu)造措施在設(shè)計(jì)中避免相應(yīng)問題的發(fā)生。計(jì)算結(jié)果表明，本橋的拱腳整體應(yīng)力水平基本滿足規(guī)范要求，局部點(diǎn)拉應(yīng)力超標(biāo)，可通過相應(yīng)構(gòu)造措施解決。通過本案例計(jì)算分析表明，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，進(jìn)行實(shí)體有限元模型分析是十分必要的。