雙啞鈴形鋼管混凝土拱圈受力性能分析

唐燕

(中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北唐山063000)

雙啞鈴形鋼管混凝土拱圈受力性能分析

唐燕

(中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北唐山063000)

以西溪河大橋為工程背景，利用有限元軟件MIDAS CIVIL對雙啞鈴形鋼管混凝土拱圈進行仿真分析。首先分析了不同荷載作用下拱圈的豎向位移，然后改變雙啞鈴形截面結(jié)構(gòu)參數(shù)(腹板間距與蓋板間距)，分析兩結(jié)構(gòu)參數(shù)對于拱圈撓度的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:雙啞鈴形拱圈拱頂節(jié)點對荷載敏感性較強，并由拱頂向兩側(cè)遞減;腹板間距與拱圈節(jié)點豎向位移基本呈線性關(guān)系，間距增大時拱圈下?lián)蠝p小;蓋板間距與雙啞鈴形拱圈撓度不呈線形相關(guān)，當蓋板間距在840～850 mm時拱圈下?lián)陷^小，有利于拱圈結(jié)構(gòu)性能發(fā)揮。

雙啞鈴形截面 拱圈 撓度 腹板間距 蓋板間距

鋼管混凝土拱橋作為拱橋分支，具有結(jié)構(gòu)科學、外型美觀、承載力優(yōu)越、跨越能力強等特點，因此鋼管混凝土拱橋成為業(yè)內(nèi)研究的重點。陳寶春等［1］研究了鋼管混凝土拱橋靜力、動力性能，并進行相關(guān)試驗;韋建剛等［2］研究了初應(yīng)力對于鋼管混凝土拱橋影響;文獻［3-6］研究了結(jié)構(gòu)損傷對于混凝土極限承載能力的影響。以往研究的鋼管混凝土拱橋主拱圈截面多為單圓管形，對于現(xiàn)在應(yīng)用廣泛的啞鈴形截面研究相對較少。

本文利用有限元軟件MIDAS CIVIL對雙啞鈴形拱圈進行分析，主要研究不同荷載作用下雙啞鈴形拱圈節(jié)點位移變化，以及雙啞鈴形板間距對于拱圈的影響，為相似拱橋的設(shè)計施工提供一定借鑒。

1 工程概況

新建成貴鐵路西溪河大橋起始里程DK416+ 910.55，終止里程DK417+404.15，全長493.6 m，主跨為240 m上承式鋼管混凝土拱橋。

主橋拱圈為鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，拱趾中心跨度L為240 m。主拱拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)m=2.2，矢跨比約1/4.364。拱肋高5.7 m，寬3.0 m，每肋由4肢φ1 100 mm×20 mm鋼管構(gòu)成，其上下弦各由2肢鋼管與其間的2塊20 mm厚的鋼板聯(lián)結(jié)成啞鈴形，在拱肋的全長上均為等截面;從拱趾起拱肋兩端各約53.0 m范圍上下弦之間各由2塊16 mm厚的鋼板聯(lián)結(jié)，構(gòu)成實腹段，使拱肋斷面呈箱形。

2 有限元分析

利用大型有限元軟件MIDAS CIVIL對西溪河大橋進行仿真分析。利用拱橋建模助手，有限元模型采用梁單元對主拱圈進行模擬。主拱圈鋼管外徑為1 100 mm，拱圈鋼管及其鋼板材料為Q345鋼。仿真模型拱圈兩端視為固結(jié)，看做是無鉸拱理想狀態(tài)，主拱圈鋼管沿拱軸線均勻劃分成60段。拱圈結(jié)構(gòu)示意如圖1，有限元模型示意如圖2。

圖1 主拱圈示意

圖2 主拱圈鋼管有限元模型

模型在進行有限元分析時采用五點對稱加載，加載方式如圖3所示。

圖3 主拱圈五點加載示意

3 荷載—豎向位移曲線

有限元分析過程中，為了更加貼近實際工程，本文首先對比了單圓管鋼管截面與雙啞鈴形鋼管截面性能，分析表明雙啞鈴形鋼管截面性能遠遠超過單圓管鋼管截面，在此不詳述。

本文共進行了11組不同荷載影響下主拱圈雙啞鈴形鋼管豎向撓度研究。由于篇幅限制本文給出代表性3組荷載—豎向位移曲線，如圖4所示。

圖4 不同荷載作用下雙啞鈴形鋼管荷載—豎向位移曲線

由圖4可知，當不同荷載作用在拱圈時，雙啞鈴形鋼管豎向撓度趨勢是一致的，即拱圈中間撓度大，由拱圈中間向兩側(cè)遞減。由于結(jié)構(gòu)對稱并且荷載作用對稱，因此拱圈左右兩側(cè)撓度對稱。

為了更加形象地分析荷載影響下拱圈雙啞鈴形鋼管撓度變化，本文分別選取拱圈的L/6，2L/6，3L/6截面為研究對象，各截面荷載—豎向位移曲線如圖5所示。

圖5 雙啞鈴形鋼管典型截面荷載—豎向位移曲線

由圖5可知，拱圈撓度隨著荷載的增加而增大，并且通過不同截面撓度值對比發(fā)現(xiàn)越靠近拱圈頂部撓度受荷載影響越大，拱頂下?lián)献蠲黠@。因此有理由認為拱圈頂部節(jié)點對荷載敏感，建議進行相關(guān)監(jiān)控時選擇拱頂節(jié)點為觀察對象。

4 參數(shù)分析

利用有限元方法進行靜力分析時，按照以下步驟進行:

1)將結(jié)構(gòu)離散成有限個單元，建立坐標系;

2)建立單元剛度矩陣;

3)建立整體剛度矩陣;

4)建立結(jié)構(gòu)列陣{F}=［K］{δ}。其中，{F}表示節(jié)點荷載列陣，［K］表示整體剛度矩陣，{δ}為節(jié)點位移向量;

5)求解線形方程組［7］。

為了能夠優(yōu)化雙啞鈴形鋼管拱圈性能，為相關(guān)設(shè)計提供參考，本文選取左(右)腹板間距D1、上(下)蓋板間距D2為研究對象。當D1，D2發(fā)生變化時，結(jié)構(gòu)的剛度矩陣會發(fā)生相應(yīng)改變，究竟有什么變化規(guī)律擬通過荷載—豎向位移曲線來反映。

4.1 D1變化對荷載—豎向位移曲線影響

西溪河大橋設(shè)計中拱圈雙啞鈴形截面D1為600 mm，D2約為848 mm。有限元分析過程中令五點施加荷載值為1 000 kN，令D1分別取480，520，560，580，600，640，680 mm，研究中取L/6，2L/6，3L/6截面為代表。具體荷載—豎向位移曲線如圖6所示。

圖6D1影響下荷載—豎向位移曲線

由圖6可知，D1與拱圈豎向位移基本呈線性關(guān)系，當D1增大時拱圈下?lián)蠝p小，同時對比不同截面豎向位移變化可知，越靠近拱圈頂部節(jié)點豎向位移受到D1變化影響越大。進行雙啞鈴形截面拱圈設(shè)計時，在規(guī)范許可情況下可適當增加左(右)腹板鋼板間距D1。

4.2 D2變化對荷載—豎向位移曲線影響

通過上面研究可知，當雙啞鈴形鋼管截面結(jié)構(gòu)參數(shù)發(fā)生變化時，拱圈各個截面的荷載—豎向位移曲線變化趨勢是相同的，因此研究D2對拱圈節(jié)點豎向位移影響時，僅選取節(jié)點位移變化較大的3L/6截面為研究對象。有限元模型中D2分別取不同值進行分析，得到D2影響下雙啞鈴形拱圈荷載—豎向位移曲線如圖7所示。

圖7D2影響下荷載—豎向位移曲線

由圖7可知，上(下)蓋板間距D2與雙啞鈴形拱圈撓度不呈線形相關(guān)。拱圈下?lián)现蛋殡S著D2的增大呈現(xiàn)先增加后減小再增加的趨勢，其中當蓋板間距處于840～850 mm時拱圈下?lián)陷^小，結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定。當D2較小時雙啞鈴形截面穩(wěn)定性減弱、抗彎性能一般;當D2較大時增加了拱圈自重。因此D2取一個中間值有利于拱圈結(jié)構(gòu)性能發(fā)揮。

5 結(jié)論

1)雙啞鈴形拱圈拱頂節(jié)點對荷載敏感性較強，并由拱頂向兩側(cè)遞減，因此進行荷載—位移監(jiān)控時建議選擇敏感性較強節(jié)點進行監(jiān)控;

2)D1(腹板間距)與拱圈節(jié)點豎向位移基本呈線性關(guān)系，當D1增大時拱圈下?lián)蠝p小，進行雙啞鈴形截面拱圈設(shè)計時，宜在規(guī)范許可情況下可適當增加左(右)腹板間距。

3)D2(蓋板間距)與雙啞鈴形拱圈撓度不呈線形相關(guān)。拱圈下?lián)现蛋殡S著D2的增大呈現(xiàn)先增加后減小再增加的趨勢，其中當蓋板間距處于840～850 mm時拱圈下?lián)陷^小，有利于拱圈結(jié)構(gòu)性能發(fā)揮。

［1］陳寶春，韋建剛，林嘉陽.鋼管混凝土拱空間受力性能分析［J］.福州大學學報(自然科學版)，2006，34(5):732-738.

［2］韋建剛，黃福云，陳寶春.初應(yīng)力對鋼管混凝土單圓管拱極限承載力影響的研究［J］.工程力學，2010，27(7):103-112.

［3］鐘正強，劉劍.考慮結(jié)構(gòu)損傷的CFST拱橋極限承載力分析［J］.中國公路學報，2012，25(1):95-100.

［4］WEI Jiangang，CHEN Baochun，WU Qingxiong，et al.Equivalent Beam-column Method to Estimate in-plane Critical Loads of Parabolic Fixed Steel Arches［J］.Bridge Engineering，2009，14(5):346-354.

［5］劉志奇，李志云.受損鋼筋混凝土構(gòu)件極限承載能力研究［J］.水科學與工程技術(shù)，2009(2):5-8.

［6］殷迅.鋼管混凝土拱橋主要病害調(diào)查與分析［D］.重慶:重慶交通大學，2011.

［7］高峰，趙馮兵.地下結(jié)構(gòu)靜—動力分析中的人工邊界轉(zhuǎn)換方法研究［J］.振動與沖擊，2011，30(11):165-170.

(責任審編孟慶伶)

U448.22

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.05

1003-1995(2015)12-0019-03

2015-07-20;

2015-10-15

唐燕(1981—)，女，工程師。