下承式鋼管混凝土系桿拱橋穩(wěn)定性分析

黃 華

(重慶巨能建設(shè)集團路橋工程有限公司 重慶市 401329)

0 引言

近年來，隨著技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展，橋梁建設(shè)突飛猛進(jìn)，在橋梁建設(shè)過程中不僅對結(jié)構(gòu)安全高度重視，而且對其美觀效果也逐步重視。鋼管混凝土拱橋的出現(xiàn)對于橋梁的外觀是一大提升[1-2]。特別是系桿類拱橋具有諸多優(yōu)勢，不僅有良好的抗彎性，而且具有強抗壓性[3]。下承式鋼管混凝土拱橋由于其受力和構(gòu)造的復(fù)雜性，對其穩(wěn)定性研究分析是非常有必要的。有學(xué)者借助有限元分析法對拱橋穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，金成棣[4-5]等對組合式拱橋橋面內(nèi)外以及系桿拱橋的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究分析；徐超[6]以淮州灣大橋為依托，借助MIDAS有限元，建立下承式鋼箱系桿拱橋有限元模型，采用特征值屈曲分析對其穩(wěn)定性進(jìn)行了計算分析；徐興偉[7]運用MIDAS有限元分析了鋼管混凝土系桿拱橋在風(fēng)荷載作用下其施工階段拱腳應(yīng)力分布規(guī)律；詹剛毅等[8]依托余信貴大橋，并借助MIDAS有限元，開展了中承式蝴蝶形系桿拱橋的受力性能分析，并對全橋的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析；高峰[9]采用GEO5有限元對鋼管混凝土拱橋施工階段的吊桿應(yīng)力進(jìn)行了分析；李艷鳳等[10]借助MIDAS有限元，建立下承式系桿拱橋模型，對其施工階段的受力特性進(jìn)行了研究分析，主要研究其吊桿索力和拱肋的應(yīng)力變形的規(guī)律；陳世民等[11]采用有限元軟件MSC.NASTRAN建立鋼管混凝土拱橋模型，研究了在施工及運營階段非線性應(yīng)力的變化規(guī)律；傅根根等[12]研究了管內(nèi)混凝土脫空對鋼管混凝土拱橋的穩(wěn)定性影響。綜上所述，文獻(xiàn)中均未對下承式鋼管混凝土系桿拱橋的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，因此，借助MIDAS有限元，研究分析了下承式鋼管混凝土系桿拱橋的穩(wěn)定性，以期指導(dǎo)此類拱橋的優(yōu)化設(shè)計。

1 工程概況及靜力荷載

1.1 工程概況

以某下承式鋼管混凝土拱橋為研究對象，全橋80.5m，是某省道的控制性工程。主橋采用66m系桿拱橋，該下承式鋼管混凝土的拱軸線為懸鏈線，拱軸系數(shù)m=2.6，拱肋軸線理論矢高20m，矢跨比為1/2.6，拱肋橫向中心距為30.5m。拱肋的鋼管內(nèi)灌注C60混凝土。

1.2 靜力荷載

(1)工況一：自重包括拱圈、吊桿、系桿、中橫梁和端橫梁；施加自重系數(shù)為-1。

(2)工況二：二期恒載，按照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)取值；橫梁跨中取-20kN，懸臂段取值為-40kN。

(3)工況三：吊桿張拉力；取值為700kN。

(4)工況四：不利活載；取值為-40kN。

(5)工況五：最大移動荷載；取值為-46.6kN。

2 有限元模型的建立

2.1 有限元模型

采用midascicil建立主橋有限元模型，拱圈、系桿、中橫梁和端橫梁均采用梁單元模擬，吊桿采用桁架單元模擬，邊界條件均采用固定約束。有限元模型見圖1。

圖1 鋼管混凝土系桿拱橋有限元模型

2.2 材料特性取值

拱圈采用16Mnq鋼和C60混凝土組合，中橫梁、端橫梁和系桿采用C50混凝土，吊桿采用高強鋼絞線，具體參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)特性

3 靜力計算結(jié)果及分析

3.1 各工況下拱圈內(nèi)力分析

拱圈在各工況下的彎矩圖、軸力圖見圖2、圖3，軸力“+”表示受拉，彎矩和軸力最值統(tǒng)計見表2。

由圖2、表2可知，五種工況拱圈的最大彎矩均發(fā)生在拱腳處，工況一至工況五下彎最大值分別為：1000kN·m、763kN·m、263kN·m、106kN·m，211kN·m。由以上數(shù)據(jù)可知在工況一自重作用下，對彎矩的影響最大，其次是工況二二期恒載的作用，其中工況四不利活載對拱圈彎矩的影響最小。因此在設(shè)計時主要考慮自重對拱圈彎矩的影響。

圖2 各工況下拱圈彎矩圖

圖3 各工況下拱圈軸力圖

表2 彎矩和軸力值

由圖3和表2可知，五種工況下，軸力的最大值也均出現(xiàn)在拱腳處，工況一至工況五下軸向壓力最大值分別為：6880kN、6850kN、99.3kN、1400kN、1030kN。由以上數(shù)據(jù)可知，軸力受自重和二期恒載的影響最大，受吊桿張拉力的影響最小，不利活載和最大移動荷載對拱圈軸力的影響也不可忽略。在設(shè)計時，對于軸力的影響主要考慮自重和二期恒載的影響，吊桿張拉力的影響可忽略不計，不利活載和最大移動荷載的影響也需要著重考慮。由圖3還可以看出拱圈主要承受軸向受壓，符合鋼管混凝土拱橋設(shè)計要求。

3.2 各工況下系桿應(yīng)力分析

系桿的應(yīng)力分析主要分析在各工況下系桿的應(yīng)力變化情況，以及在各工況下是否滿足規(guī)范要求的C50混凝土應(yīng)力容許值22.4MPa。在各工況下系桿的應(yīng)力云圖見圖4，應(yīng)力值見表3。

圖4 各工況下系桿應(yīng)力云圖

表3 各工況下系桿應(yīng)力值

由圖4和表3可知，工況一至工況五作用下系桿的最大應(yīng)力分別為：5.35MPa，3.41MPa，1.09MPa，1.97MPa，2.06MPa。且系桿應(yīng)力均為壓應(yīng)力，無拉應(yīng)力出現(xiàn)，本文計算系桿應(yīng)力時規(guī)定壓應(yīng)力為“+”。自重和二期恒載作用下系桿應(yīng)力變化一致，最大應(yīng)力均出現(xiàn)在接近跨中位置，向兩端逐漸減?。辉诘鯒U張拉力的作用下，系桿的最大應(yīng)力出現(xiàn)在兩端位置，由兩端向跨中先減小后增大，但小于兩端的應(yīng)力值；在不利活載和最大移動荷載的作用下，系桿的應(yīng)力變化大致相同，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在接近左端側(cè)位置。五種工況下，自重荷載對系桿應(yīng)力影響最大，應(yīng)力值為5.35MPa，壓應(yīng)力未超過C50混凝土規(guī)定的容許應(yīng)力值22.4MPa。

3.3 吊桿應(yīng)力分析

本橋共設(shè)置了15對吊桿，根據(jù)鋼管混凝土設(shè)計規(guī)范規(guī)定，吊桿的安全系數(shù)應(yīng)≥2，即吊桿的容許應(yīng)力值為：[σ]≤0.5ftpk=0.5×1860=930MPa。限于篇幅，僅給出在自重作用下，吊桿的最大應(yīng)力云圖見圖5，吊桿應(yīng)力值見表4。由圖5和表4可知，五種工況下，對吊桿應(yīng)力影響最大的是自重即工況一；且自重作用下吊桿的應(yīng)力值是五種工況下的最大值，為439MPa，安全系數(shù)為7，滿足規(guī)范要求。

圖5 吊桿應(yīng)力云圖

表4 各工況下吊桿應(yīng)力值

4 結(jié)論

開展了鋼管混凝土系桿拱橋的穩(wěn)定性研究分析，計算了五種工況下拱橋的內(nèi)力分布，并分析了主要影響拱橋穩(wěn)定的工況類型，主要從主拱圈的內(nèi)力情況、系桿的應(yīng)力變化情況以及吊桿的應(yīng)力驗算三方面對鋼管混凝土系桿拱橋的穩(wěn)定性進(jìn)行計算分析，結(jié)果表明：

(1)拱圈的內(nèi)力受自重荷載和二期恒載的影響最大，在設(shè)計時應(yīng)著重考慮這兩種荷載的布設(shè)。

(2)系桿的應(yīng)力受自重荷載的影響最大，應(yīng)力值為5.35MPa，滿足C50混凝土的規(guī)范要求(22.4MPa)，結(jié)構(gòu)設(shè)計安全。

(3)吊桿應(yīng)力受自重荷載的影響最大，應(yīng)力值達(dá)到439MPa，經(jīng)驗算，滿足吊桿的規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計安全。