大跨度鋼箱系桿拱橋拱梁結(jié)合段局部應力研究

毛建平 周里鳴 莫榮華 覃樂勤

摘要：大跨度鋼箱系桿拱橋拱腳處拱梁結(jié)合段構(gòu)造復雜，由于受到來自不同構(gòu)件不同方向的作用力，導致其受力極為復雜。為了解拱梁結(jié)合段應力分布情況，指導橋梁施工及后期運營維護，文章建立拱梁結(jié)合段精細化有限元模型進行分析，并以實際施工過程中的監(jiān)測結(jié)果進行驗證。研究結(jié)果表明：依托工程拱梁結(jié)合段應力值均小于容許應力，滿足設計要求，理論模擬與實測數(shù)據(jù)較吻合。研究成果可為橋梁后期運營維護提供參考，同時可為同類結(jié)構(gòu)的計算和設計提供參考。

關鍵詞：大跨度鋼箱系桿拱橋;拱梁結(jié)合段;局部應力

0 引言

大跨度鋼箱系桿拱橋拱腳拱梁結(jié)合段為拱肋、系桿、橫梁交匯點，各構(gòu)件的材料、尺寸、橫隔板及縱橫向加勁肋布置不一，從而導致其構(gòu)造復雜。同時，拱梁結(jié)合段受拱的推力、梁的內(nèi)力、支座反力和系桿力等不同方向作用力影響，受力復雜，采用整理計算模型很難真實模擬其真實受力情況，需建立局部精細化有限元模型進行計算分析。本文以一座大跨徑雙層橋面中承式鋼箱系桿拱橋為依托工程，根據(jù)該橋拱梁結(jié)合段結(jié)構(gòu)特點，從精細化有限元分析和實橋監(jiān)測兩方面獲取結(jié)構(gòu)應力，經(jīng)驗證，結(jié)果可靠。

1 橋梁概況

梧州市西江四橋為廣西最大跨徑雙層橋面中承式鋼箱系桿拱橋，橋梁全長1 506.5 m，由主橋、南岸引橋、北岸引橋組成，主橋橋跨組合為（129+300+129） m，上層機動車道寬16.5 m，下層非機動車及人行道寬10.0 m（見圖1）。

該橋中跨拱肋、邊跨拱肋均采用懸鏈線拱軸線，計算矢跨比分別為1/5和1/3.38，拱軸系數(shù)均為1.6。橋面上拱肋采用閉口鋼箱截面，橋面以下拱肋采用預應力混凝土箱型截面，中跨拱肋高度按2次拋物線由4.3 m變?yōu)?.1 m，邊跨拱肋高度按2次拋物線由3.5 m[=XQS（]大跨度鋼箱系桿拱橋拱梁結(jié)合段局部應力研究/毛建平，周里鳴，莫榮華，覃樂勤[=JP2]變?yōu)?.1 m，中、邊跨鋼箱拱肋段保持截面寬度為3.6 m和3.0 m不變。為改善受力，在上層橋面設置了通長柔性系桿，并在邊跨設置了剛性系桿（見圖2）。

剛性系桿總長89.5 m，采用鋼箱截面，與邊跨鋼箱拱肋接頭連接，構(gòu)成本課題研究對象大跨度鋼箱系桿拱橋拱梁結(jié)合段。結(jié)合段處剛性系桿和拱肋腹板采用整板，鋼材全部采用Q345C，系桿錨固區(qū)內(nèi)填筑C50低收縮混凝土。拱梁結(jié)合段構(gòu)造如圖3所示。

2 有限元分析計算

2.1 計算模型

對于大跨度鋼箱系桿拱橋，受其結(jié)構(gòu)特點的影響，采用全橋?qū)嶓w模型進行模擬計算顯然不經(jīng)濟且難以實現(xiàn)。采用桿系單元進行全橋分析，計算結(jié)果往往不能精確反映局部應力情況。為準確獲得大跨度鋼箱系桿拱橋拱腳處拱梁結(jié)合段局部應力，一般采用兩種方法：（1）先建立橋梁整體分析模型提取內(nèi)力，后根據(jù)圣維南原理截取局部結(jié)構(gòu)建立精細化有限元模型進行計算[1-5];（2）建立混合模型[6-7]，通過在一個計算模型中采用桿系和板殼模型等多種方式混合進行模擬計算。通?；旌夏Ｐ洼^為復雜，費時且效率較低，工程實踐中往往采用方法一進行模擬分析。

為精準模擬橋梁拱腳處拱梁結(jié)合段的受力情況，需合理確定局部模擬區(qū)域。根據(jù)圣維南原理，力作用于桿端方式的不同，只會使與桿端距離不大于桿件的橫向尺寸的范圍受到影響。因此，根據(jù)截面尺寸及結(jié)合處構(gòu)造，局部模型取主拱到7.84 m處，梁從拱外邊緣向內(nèi)取9.0 m。采用大型通用有限元軟件ANSYS進行局部分析，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點選擇合適的模擬單元和材料參數(shù)（見表1），有限元計算模型如圖4、圖5所示。

2.2 邊界條件

如圖5所示，局部模型在拱肋、剛性系桿上以豎向截面切斷。邊界約束條件的使用如下：

（1）支座區(qū)域邊界設置成豎向位移約束;

（2）拱肋與剛性系桿切口處設置成剛域，并將拱肋處邊界設置成固定約束。

2.3 荷載取值

荷載信息來源于Midas Civil軟件主橋整體靜力分析計算結(jié)果。模型中剛性系桿、拱肋、橫撐等采用梁單元模擬;吊桿和柔性系桿采用桁架單元。按實際情況設置邊界條件。全橋共劃分單元3 619個，節(jié)點數(shù)為2 916個。結(jié)構(gòu)離散圖如圖6所示。

依據(jù)計算結(jié)果，分別提取鋼縱梁和系桿在全橋計算中的最不利內(nèi)力值（見表2）。

內(nèi)力的施加方式：

（1）剛性系桿內(nèi)力通過切口處的剛域主節(jié)點施加;

（2）柔性系桿力按實際傳力模式和力大小，通過環(huán)形支座板間接施加在錨墊板上。

2.4 計算結(jié)果與分析

2.4.1 混凝土部分

根據(jù)計算結(jié)果，系桿錨固區(qū)內(nèi)填筑的混凝土主拉應力和主壓應力如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可知，混凝土大部分應力很小，主壓應力最大值為14.22 MPa<22.4 MPa，滿足要求。大部分位置主拉應力均控制在1.83 MPa以下，但在混凝土邊角處及支座附近等局部區(qū)域主拉應力值略高，剔除局部受力混凝土單元后的應力如圖9所示。

由此可見，在不考慮局部應力的情況下，混凝土主拉應力滿足要求。較大的主拉應力出現(xiàn)在局部作用區(qū)域周圍一個單元的范圍內(nèi)，涉及單元較多而單元尺寸較大。主拉應力值雖然略高，但在分析中發(fā)現(xiàn)隨著單元尺寸的減小，這一范圍（一個單元的范圍）收縮，同時應力值下降?？紤]局部加強鋼筋的作用，認為局部作用下主拉應力是安全的。

2.4.2 鋼結(jié)構(gòu)部分

由計算結(jié)果可知，鋼結(jié)構(gòu)等效應力總體圖和錨墊板區(qū)等效應力圖如圖10和圖11所示。

由圖10、圖11可知：

（1）從整體看結(jié)合段大部分區(qū)域應力值均控制在110 MPa以下。錨墊板區(qū)最大應力為152.904 MPa。均滿足規(guī)范要求。

（2）鋼結(jié)構(gòu)應力最大值為245.779 MPa，發(fā)生在鋼箱系桿頂板開孔處附近。產(chǎn)生較大應力的原因為頂板開孔造成的應力集中。

排除應力集中前后的計算結(jié)果如圖12所示。

由圖12可知，排除應力集中單元后，鋼結(jié)構(gòu)最大應力值為152.904 MPa，位于錨墊板區(qū)。

綜合上述計算和分析結(jié)果，鋼結(jié)構(gòu)應力均小于Q345鋼材的屈服強度及其抗拉強度設計值，滿足要求，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

3 驗證性監(jiān)測

為進一步驗證拱梁結(jié)合段局部應力的大小，在實橋開展施工過程應力監(jiān)測。根據(jù)理論計算結(jié)果，應力監(jiān)測點分別布置在縱梁開孔處的局部應力集中區(qū)域（對應圖13的2#和3#點）及剛性系桿端部頂面其他區(qū)域（對應圖13的1#和4#點）。

根據(jù)橋梁施工過程，選擇柔性系桿張拉后的施工階段提取數(shù)據(jù)分析應力實測值和理論值，結(jié)果對比如表3所示。

由表3中實測結(jié)果與理論計算結(jié)果進行對比可知：

（1）剛性系桿端部頂面實測應力值，與有限元分析結(jié)果基本吻合，說明本文采用的拱腳位置拱梁結(jié)合段精細化有限元模型能較準確地反映該位置處局部受力狀態(tài)。

（2）由于系桿通過頂板需要開孔，開孔位置附近存在較明顯的應力集中，計算模型考慮直接開孔，實際應用添加了襟邊等其他構(gòu)造，有抑制應力集中的作用，實測應力值明顯小于理論計算值。結(jié)合實測和分析結(jié)果，說明本橋該位置是安全的。

4 結(jié)語

（1）本文采用精細化有限元模型對大跨度鋼箱系桿拱橋拱梁結(jié)合段局部應力進行分析，能有效模擬結(jié)構(gòu)局部應力分布特征。計算結(jié)果表明構(gòu)件應力值均小于材料容許應力，滿足設計要求。

（2）施工過程對大跨度鋼箱系桿拱橋拱梁結(jié)合段等復雜受力部位進行應力監(jiān)測，將實測值與理論值進行對比分析，能及時掌握結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，做到安全預警及調(diào)控，對指導橋梁施工及后期運營維護有較大益處。

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