鋼管拱橋施工力學(xué)特性建模與分析

翁偉

摘要：文章以當(dāng)前我國(guó)鋼管拱橋的建設(shè)施工為研究背景，介紹了鋼管拱橋應(yīng)用情況及發(fā)展現(xiàn)狀，分析了國(guó)內(nèi)已建的比較典型的鋼管拱橋工程參數(shù)，搭建了鋼管拱橋有限元模型，指出了有限元軟件應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題，并對(duì)所搭建的鋼管拱橋模型分別進(jìn)行了有限元靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面的特性分析，具有一定的工程實(shí)用意義。

關(guān)鍵詞：鋼管拱橋;力學(xué)特性;建模;分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U448.22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：1O.13282/j.cnki.wccst.2019.07.026

文章編號(hào)：1673-4874（2019）07-0083-03

0引言

鋼管（混凝土）拱橋?qū)儆诘湫偷匿摶旖Y(jié)構(gòu)橋梁，填充了混凝土的鋼管變得更加穩(wěn)固，而混凝土也因鋼管作用提高了強(qiáng)度。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，近20年來(lái)我國(guó)已建、在建的鋼管拱橋已超過(guò)400座，最大跨徑超過(guò)500m。經(jīng)過(guò)我國(guó)橋梁工程技術(shù)人員和專(zhuān)家們的不斷努力，現(xiàn)階段在鋼管拱橋的建設(shè)領(lǐng)域已取得了輝煌的成就，鋼管拱橋以其獨(dú)有的工程特性成為各類(lèi)橋梁施工的首選方案。

相比于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家而言，我國(guó)在鋼管拱橋施工的理論方面的研究還不夠深入，與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距很大，而且相關(guān)的理論研究滯后于橋梁的工程實(shí)踐。由于施工材料逐漸老化、環(huán)境腐蝕以及車(chē)輛超載等因素，鋼管拱橋在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，且由于混凝土在鋼管內(nèi)部，測(cè)量?jī)?nèi)部具體情況的難度較大，加之鋼管拱橋的各個(gè)組件聯(lián)系較為密切，一根吊桿的損壞可引起整座橋梁坍塌。近年來(lái)有關(guān)鋼管拱橋的施工事故時(shí)有發(fā)生，給人們生命財(cái)產(chǎn)安全造成了一定的損失。為減少鋼管拱橋施工事故的發(fā)生，對(duì)其施工過(guò)程中的力學(xué)特性進(jìn)行建模和分析顯得尤為必要。本文對(duì)鋼管拱橋施工中的力學(xué)結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了詳細(xì)分析，搭建了工程力學(xué)模型，研究?jī)?nèi)容具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

1鋼管拱橋應(yīng)用情況及發(fā)展現(xiàn)狀

在20世紀(jì)90年代初期，我國(guó)建成了第一座鋼管拱橋，即位于四川省境內(nèi)的旺蒼東河大橋，在此之后，我國(guó)的鋼管拱橋每年以20座左右的速度持續(xù)增長(zhǎng)，在2006—2016年這10年間，鋼管拱橋的數(shù)量出現(xiàn)了歷史高峰，截至2016年年底，我國(guó)鋼管拱橋總數(shù)量接近450座，鋼管拱橋數(shù)量增長(zhǎng)趨勢(shì)如下頁(yè)圖1所示。

通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，在鋼管拱橋跨徑長(zhǎng)度方面，100m以上的有180座，跨徑超過(guò)200m的有65座，跨徑在300m以上的有十余座，最長(zhǎng)跨徑長(zhǎng)度已超過(guò)500m。例如在2013年竣工通車(chē)的四川瀘州境內(nèi)的合江長(zhǎng)江一橋總跨度為530m，為中承式結(jié)構(gòu)類(lèi)型橋梁，采用了纜索吊運(yùn)、斜拉扣掛的施工工藝，截面形式為四管桁式嘲。我國(guó)部分鋼管拱橋跨徑長(zhǎng)度及竣工年限統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如圖2所示。

我國(guó)已建的部分鋼管拱橋工程參數(shù)（跨徑L>330m）如表1所示。由表1可知，這10座鋼管拱橋的跨徑均超過(guò)了330m，屬于長(zhǎng)跨度鋼管拱橋。其中400m及以上的共4座，除廣州丫髻沙大橋?yàn)檗D(zhuǎn)體施工之外，其余鋼管拱橋均為纜索吊運(yùn)、斜拉扣掛施工。在這些鋼管拱橋中，截面形式多為四管桁式或六管桁式，黃山太平湖大橋和南寧永和大橋?yàn)闄M啞鈴形桁式。其中，有4座為中承式結(jié)構(gòu)類(lèi)型橋梁，分別是合江長(zhǎng)江一橋、巫山長(zhǎng)江大橋、黃山太平湖大橋和南寧永和大橋;湖北支井河大橋、準(zhǔn)朔鐵路黃河大橋與瀘蓉西小河特大橋?yàn)樯铣惺浇Y(jié)構(gòu);湘潭蓮城大橋?yàn)樾崩w鳥(niǎo)式結(jié)構(gòu);廣州丫髻沙大橋?yàn)轱w鳥(niǎo)式結(jié)構(gòu)。

2鋼管拱橋施工力學(xué)特性建模與分析

2.1搭建鋼管拱橋有限元模型

搭建鋼管拱橋有限元模型的目的是為了進(jìn)行鋼管拱橋結(jié)構(gòu)力學(xué)特性分析。有限元模型的分析方法主要包括結(jié)構(gòu)剛度、邊界條件等模擬。結(jié)構(gòu)剛度通常指桿件的軸向、彎曲、剪切以及扭轉(zhuǎn)剛度等，對(duì)部分力學(xué)特性模擬要求較高的鋼管拱橋來(lái)說(shuō)，還包括桿件間連接剛度等。結(jié)構(gòu)質(zhì)量部分的模擬過(guò)程通常包括桿件平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量。應(yīng)指出的問(wèn)題是，在邊界條件模擬過(guò)程中，應(yīng)與實(shí)際工程施工的具體支撐情況相吻合，即建模過(guò)程應(yīng)盡量接近實(shí)際橋梁的施工情況。但基于橋梁在實(shí)際施工過(guò)程中各構(gòu)件的受力情況十分復(fù)雜，因此，要做到有限元模擬過(guò)程與實(shí)際橋梁的施工過(guò)程完全一致是幾乎不可能的，應(yīng)在計(jì)算精度和模擬工作條件允許的情況下，對(duì)有限元模型適當(dāng)簡(jiǎn)化，找到最佳、最合理的平衡點(diǎn)。通過(guò)有限元Midas軟件對(duì)鋼管拱橋進(jìn)行空間建模，鋼管拱橋空間有限元模型如圖3所示。

2.2有限元靜力學(xué)特性分析

在成橋情況下的拱肋、縱梁和橫梁的最大截面應(yīng)力均應(yīng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，并考慮到吊桿的張力作用，減少橋面縱梁引起的反撓度，使得縱梁彎矩變?yōu)樨?fù)彎矩，發(fā)揮吊桿對(duì)橋面線性調(diào)節(jié)的作用，對(duì)縱梁的彎矩也有積極作用。在有限元靜力學(xué)分析過(guò)程中，在橋面模型上布置兩條車(chē)軌，模擬鋼管拱橋?qū)λ妮喰≤?chē)的載荷能力。在此過(guò)程中，變化小車(chē)上的砝碼來(lái)模擬各種情況下的靜力學(xué)加載數(shù)值，并簡(jiǎn)化載荷為縱向間距和軸距。有限元靜力學(xué)加載工況如表2所示。

需要注意的問(wèn)題是，在進(jìn)行不同車(chē)道的載荷模擬時(shí)，拱肋最大的截面應(yīng)力應(yīng)為壓應(yīng)力，縱梁最大截面應(yīng)力為拉應(yīng)力，且拱肋以及縱梁截面的應(yīng)力極限值應(yīng)小于鋼管的屈服強(qiáng)度。當(dāng)載荷車(chē)道發(fā)生改變時(shí)，縱梁截面上的應(yīng)力變化幅值應(yīng)大于拱肋截面上的應(yīng)力變化幅值。這種結(jié)果與縱梁截面受到的載荷分布有關(guān)，一般情況下，車(chē)道在縱梁截面上的載荷分布較大，且在相同載荷情況下，中部縱梁應(yīng)力大于邊部縱梁。

2.3有限元?jiǎng)恿W(xué)特性分析

鋼管拱橋結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性規(guī)律和鋼管拱橋結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度分布情況有關(guān)。鋼管拱橋結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)特性包括自振頻率和阻尼系數(shù)等。對(duì)鋼管拱橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行詳細(xì)分析可找到鋼管拱橋振動(dòng)規(guī)律，為鋼管拱橋整體健康狀況的監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持，能夠保證鋼管拱橋的施工質(zhì)量及安全性。在搭建鋼管拱橋動(dòng)力學(xué)特性分析的模型時(shí)，應(yīng)注意有限元軟件與實(shí)際鋼管拱橋工程參數(shù)的兼容情況，依據(jù)鋼管拱橋?qū)嶋H施工中的工程參數(shù)來(lái)分析有限元模型的振動(dòng)特性。在進(jìn)行鋼管拱橋的有限元?jiǎng)恿μ匦苑治鲋?，如果發(fā)現(xiàn)鋼管拱橋模型基波頻率超標(biāo)，則表明鋼管拱橋模型整體上具有較高的剛度。有限元?jiǎng)恿μ匦苑治鲋兄饕詸M向的振型為主，且鋼管拱橋位于橫向上的剛度相對(duì)于縱向來(lái)說(shuō)較弱，當(dāng)模型出現(xiàn)橋體表面的縱向振動(dòng)時(shí)，表明橋體表面在縱向上的剛度約束較小。

3結(jié)語(yǔ)

在對(duì)鋼管拱橋結(jié)構(gòu)力學(xué)特性進(jìn)行深入分析，掌握鋼管拱橋健康狀況的基礎(chǔ)上，本文搭建了鋼管拱橋的結(jié)構(gòu)力學(xué)有限元模型，對(duì)有限元模型在靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)兩種情況下的特性進(jìn)行了討論，為鋼管拱橋在實(shí)際施工過(guò)程中各類(lèi)工程參數(shù)的選取和校正奠定了基礎(chǔ)，對(duì)于提升鋼管拱橋的施工質(zhì)量和安全性具有重要意義。