鐵路大跨連續(xù)梁拱橋拱座局部應(yīng)力分析

摘 ?要：連續(xù)梁拱橋的拱座是該類橋梁受力最復(fù)雜的部分，為掌握其應(yīng)力分布，本文根據(jù)某大跨度連續(xù)梁橋建立精細(xì)化實體模型，采用C3D10十結(jié)點二次四面體單元，計算分析了各關(guān)鍵施工階段拱腳應(yīng)力的空間分布特征及其傳力特性。由縱向應(yīng)力云圖分析結(jié)果可知，各施工階段拱座縱向主要以受壓為主，局部出現(xiàn)拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力值不大，符合規(guī)范要求;由第一主應(yīng)力云圖可以看出，拱座橫梁過人孔處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，建議在拉力過大區(qū)域進行抗裂設(shè)計。

關(guān)鍵詞：連續(xù)梁拱橋;拱座;有限元分析;應(yīng)力云圖

中圖分類號：U441.5;U448.22

0 ?引????言

近年來，隨著高速鐵路的飛速建設(shè)，為滿足跨越能力，出現(xiàn)了許多新型打垮橋梁結(jié)構(gòu)形式，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁拱組合橋就是其中一種^[1]。該橋型具有較大的豎向剛度和優(yōu)越的動力性能，同時還綜合了吊桿拱橋和連續(xù)梁橋強度高、跨越能力大、自重小、經(jīng)濟性好等優(yōu)點^[2-4]。多年的工程實踐已證明，連續(xù)梁拱組合橋具有良好的變形能力、抗風(fēng)抗震性能好、抗疲勞性好等特點^[5]。連續(xù)梁拱組合橋拱座是主要的承重構(gòu)件和傳力構(gòu)件^[6]，其受力較為復(fù)雜，已有的研究中發(fā)現(xiàn)拱座容易出現(xiàn)混凝土開裂等問題^[7]，目前相關(guān)的理論研究已無法滿足工程實踐的需求，且現(xiàn)行的設(shè)計規(guī)范中均未有相關(guān)的設(shè)計要求。因此，對拱座的受力分析，研究傳力機制就顯得十分必要。

本文依據(jù)實際工程對一座下承式連續(xù)梁拱橋的拱座進行分析，研究該跨徑下的連續(xù)梁拱橋拱座的受力特性及傳力機制，并為該類橋梁的施工提供一些參考建議。

1 ?拱座局部模型

1.1 ?工程概況

主橋采用72+128+72m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁與中孔鋼管混凝土加勁拱組合結(jié)構(gòu)體系。拱軸線采用二次拋物線，中孔跨度128m，矢高21.333m，矢跨比1/6。拱肋采用啞鈴型鋼管混凝土截面。鋼管直徑1.0m，拱肋全高3m，腹板寬0.6m，拱腳局部加寬到1.0m，上下鋼管及腹腔內(nèi)灌注補償收縮混凝土，兩榀拱肋中心距12.8m，吊桿間距6.0m，中跨共設(shè)18對吊桿，每側(cè)18根。全橋共設(shè)3道一字形撐和4道K形撐，一字形撐及K形撐的橫撐采用直徑1.0m、全高1.5m的圓端形截面，K形撐的斜撐采用直徑0.9m的圓形鋼管截面。橋梁上部結(jié)構(gòu)立面圖和平面圖如圖1所示。

1.2 ?有限元模型

本橋拱座局部采用有限元軟件進行實體建模，按拱座模型按實際尺寸進行建立，拱肋沿拱軸線伸出2m，縱橋向箱梁按支座中心線對稱各取10m梁段，橫橋向取橋面全寬18m。模型中的X、Y、Z方向分別是實體橋梁的橫橋向、豎橋向、縱橋向。靠近中跨一側(cè)為右截面，對稱側(cè)為左截面。如圖2所示是拱腳局部實體模型圖。

1. 邊界荷載：拱座底部采用完全固結(jié)，拱肋伸入拱座部分采用綁定約束。左右截面彎矩施加參考點分別與左右斷面耦合。拱座軸力和拱肋軸力等效為壓強施加在相應(yīng)截面上。

1. 網(wǎng)格劃分：網(wǎng)格劃分采用C3D10，十結(jié)點二次四面體單元，整個模型共劃分85909個結(jié)點，53575個單元。

1.3 ?荷載工況選取

本橋根據(jù)橋梁施工過程，選取不同施工階段的拱腳受力進行分析研究。采用兩部分析法，首先用有限元軟件Midas Civil建立全橋模型進行施工階段受力分析，按照成橋過程提取不同施工階段最不利荷載工況下相應(yīng)斷面的軸力、彎矩，然后按照靜力等效的原則施加到拱座局部模型上進行受力分析，以評估施工過程中拱座的安全性。其中軸力和彎矩荷載提取中考慮了恒荷載、施工荷載、鋼束預(yù)應(yīng)力以及混凝土的收縮徐變。

2 ?有限元計算結(jié)果分析

2.1 ?工況一應(yīng)力結(jié)果分析

拱肋伸入段與零號塊一起澆筑，當(dāng)主梁澆筑完成后，此時拱肋無軸力，整個拱座以受壓為主，局部出現(xiàn)拉應(yīng)力。在橫橋向兩拱腳之間中腹板四周出現(xiàn)較大拉應(yīng)力為0.778MPa，如圖6所示?？v橋向在拱腳上三角區(qū)域出現(xiàn)較大拉應(yīng)力0.438MPa，如圖7所示。由第一主應(yīng)力可以看出，由于較大彎矩作用拱腳上部出現(xiàn)拉應(yīng)力。

2.2 ?工況二應(yīng)力結(jié)果分析

主梁施工完畢，安裝好拱肋之后，拱座橫橋向與工況一相同，在兩拱腳之間中腹板四周出現(xiàn)較大拉應(yīng)力0.912MPa，如圖9所示。縱橋向在拱腳上三角區(qū)域出現(xiàn)較大拉應(yīng)力1.003MPa，在左右截面邊腹板處出現(xiàn)較大壓應(yīng)力-13.99Mpa，如圖10所示。由第一主應(yīng)力云圖可以看出拱肋伸入拱腳處上側(cè)局部出現(xiàn)拉應(yīng)力，最大值為2.787Mpa，此外零號塊橫梁處也會出現(xiàn)較大的局部拉應(yīng)力。整個拱座以受壓為主，最大壓應(yīng)力為-10.25Mpa，如圖11所示。

2.3 ?工況三應(yīng)力結(jié)果分析

拱肋澆筑完畢，吊桿張拉之后，拱座橫橋向與工況二相同，在兩拱腳之間中腹板四周出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為1.38MPa，如圖12所示?？v橋向在拱腳上三角區(qū)域出現(xiàn)0.85MPa的拉應(yīng)力，在左右截面邊腹板處出現(xiàn)較大壓應(yīng)力為-11.5Mpa，如圖13所示。由第一主應(yīng)力云圖可以看出拱肋伸入部分與拱腳接觸面間出現(xiàn)局部較大拉應(yīng)力為2.685Mpa，零號塊橫梁部分也會出現(xiàn)局部較大拉應(yīng)力。整個拱座以受壓為主，最大壓應(yīng)力為-13.52Mpa，如圖14所示。

2.4 ?工況四應(yīng)力結(jié)果分析

吊桿張拉完畢，二期恒載作用之后，拱座橫橋向與工況三相同，在兩拱腳之間中腹板四周出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為1.79MPa，如圖15所示?？v橋向在拱腳上三角區(qū)域出現(xiàn)0.817MPa的拉應(yīng)力，在左右截面邊腹板處出現(xiàn)較大壓應(yīng)力為-15.83Mpa，如圖16所示。由第一主應(yīng)力云圖可以看出拱肋伸入部分與拱腳接觸面間出現(xiàn)局部較大拉應(yīng)力為2.668Mpa，零號塊橫梁部分也會出現(xiàn)局部較大拉應(yīng)力。整個拱座以受壓為主，最大壓應(yīng)力為-13.99Mpa。

2.5 ?工況五應(yīng)力結(jié)果分析

拱肋澆筑完畢，吊桿張拉之后，拱座橫橋向與工況二相同，在兩拱腳之間中腹板四周出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為1.79MPa，如圖18所示?？v橋向在拱腳上三角區(qū)域出現(xiàn)0.817MPa的拉應(yīng)力，在左右截面邊腹板處出現(xiàn)較大壓應(yīng)力為-15.83Mpa，如圖19所示。由第一主應(yīng)力云圖可以看出拱肋伸入部分與拱腳接觸面間出現(xiàn)局部較大拉應(yīng)力為2.668Mpa，零號塊橫梁部分也會出現(xiàn)局部較大拉應(yīng)力。整個拱座以受壓為主，最大壓應(yīng)力為-13.99Mpa。

3 ?結(jié)語

通過對不同施工階段拱腳節(jié)點的空間有限元分析計算，得到以下主要結(jié)論。

（1）拱座受力比較復(fù)雜，整個施工過程中以受壓為主，局部會出現(xiàn)拉應(yīng)力，但均小于混凝土的抗拉、抗壓強度設(shè)計值，整個施工過程拱座具有較好的安全儲備。

（2）整個施工過程中，拱座在兩拱腳之間中腹板四周及拱腳上三角區(qū)域會出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，建議加大這部分構(gòu)造筋的布置或加強橫向預(yù)應(yīng)力筋的布置避免應(yīng)力集中使混凝土開裂。

（3）拱肋受力傳遞路徑主要集中在開始伸入拱腳的部分，即增加拱肋伸入拱腳的長度并不能明顯改善拱腳的受力，為避免應(yīng)力集中建議在拱肋插入拱腳周圍設(shè)置加勁鋼板并與拱肋焊接，且將加勁鋼板通過焊釘焊接在拱腳內(nèi)部鋼筋上。

參考文獻：

[1]金成棣. 預(yù)應(yīng)力混凝土梁拱組合橋梁[M].北京：人民交通出版社，2001：25-38.

[2]陳曉波.某高速鐵路連續(xù)梁拱組合橋結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計， 2011（5）：60-62.

[3]齊林.合蚌高鐵連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)設(shè)計研究及動力分析[J].市政技術(shù)，2014（4）： 78-82.

[4]盛淑敏.京杭運河特大橋連續(xù)梁拱組合體系拱腳應(yīng)力分析[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2010（3）：55-61.

[5]蘇昭.大跨度連續(xù)梁-拱組合橋上部結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能分析[D].蘭州：蘭州交通大學(xué)，2012.

[6]陳后軍.大跨度鋼管混凝土拱橋拱座局部應(yīng)力研究[J].世界橋梁，2009（2）：54-56.

[7]劉國光，劉群，潘哲，等.下承式剛性系桿拱橋拱座結(jié)點受力特點分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2013，13（12）：3327-3330.

作者信息：常楓（1961-），男，漢族，工程師，研究方向：橋梁工程及橋梁施工，