鋼管混凝土拱橋復(fù)雜節(jié)點(diǎn)局部力學(xué)性能分析

趙菊梅ZHAO Ju-mei

（云南工程建設(shè)總承包股份有限公司，昆明 650500）

0 引言

鋼管混凝土作為一種鋼結(jié)構(gòu)和混凝土的組合材料，應(yīng)用在拱橋結(jié)構(gòu)中，能夠較大程度上減小拱橋的自重，提高其承載能力，增大拱橋整體跨徑長(zhǎng)度[1]，且在施工過(guò)程中的優(yōu)越性以及較大程度的節(jié)約造價(jià)，使其在我國(guó)的公路建設(shè)中得到大量的發(fā)展和應(yīng)用[2]。

鋼管混凝土是指在鋼管內(nèi)灌注混凝土而形成的組合結(jié)構(gòu)共同受力，鋼管的抗彎和彈塑性能力都較為優(yōu)秀，而混凝土的抗壓能力較強(qiáng)，鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)是將二者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，共同受力，其性能遠(yuǎn)優(yōu)于二者的簡(jiǎn)單疊加。但同時(shí)，由于鋼管和混凝土的共同作用，使得鋼管混凝土的節(jié)點(diǎn)處于較為復(fù)雜的受力狀態(tài)下，尤其是在拱肋拱腳處的受力行為比較突出。本文以某鋼管混凝土拱橋?yàn)槔?，截取其拱肋拱腳位置處的幾何形狀進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明，最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱肋、拱腳和系梁交接處，最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱肋與拱座連接處，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮該情況[3]。本文希望通過(guò)此文以了解此類型結(jié)構(gòu)的受力和承載能力的特點(diǎn)，以期對(duì)類似工程提供參考。

1 拱肋拱腳幾何計(jì)算模型

主橋?yàn)橛?jì)算跨徑L=115m的下承式鋼管混凝土系桿拱橋，拱肋采用啞鈴型鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，吊桿采用鋼絞線整束擠壓成品索，系梁、端橫梁及中橫梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，風(fēng)撐采用空鋼管結(jié)構(gòu)，汽車荷載等級(jí)為公路—Ⅰ級(jí)，鋼材采用Q345D鋼。采用有限元軟件建立全橋模型后，提取其拱腳拱肋位置處的內(nèi)力，建立有限元模型。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行建模，有限元模型包括：拱腳伸出2.0m長(zhǎng)的啞鈴型拱肋，拱腳實(shí)體部分，一半長(zhǎng)度5.95m的端橫梁，拱座系梁取距離支座中心線6m區(qū)段。通過(guò)全橋桿系模型計(jì)算，按拱腳最不利荷載組合得到拱肋截面內(nèi)力，如圖1所示，分別在拱肋和縱梁選取斷面加載，拱腳底施加支反力，端橫梁固結(jié)約束[4]。

圖1 幾何尺寸及計(jì)算荷載

其中，在拱腳底施加23680kN的支反力，拱肋施加30113kN的軸力，58kN的剪力，3834kN·m的彎矩，在縱梁截?cái)嘟缑嫣幨┘?9522kN的軸力，128kN的剪力，2021kN·m的彎矩。

2 有限元模型

鋼管混凝土拱橋拱肋拱腳位置處的節(jié)點(diǎn)在拱橋整體結(jié)構(gòu)受力范圍內(nèi)是一個(gè)關(guān)鍵部位，鋼管混凝土的結(jié)合結(jié)構(gòu)穿過(guò)拱座的混凝土，在其接觸位置的處理都是極為關(guān)鍵的，其次在成橋后，該處存在著拱肋、縱梁等諸多構(gòu)件，在較大的負(fù)彎矩作用下，該處的受力情況是較為關(guān)鍵的[5]。因此根據(jù)結(jié)構(gòu)具體尺寸，采用大型通用有限元程序建立計(jì)算模型，為避免拱肋邊界條件對(duì)研究區(qū)域的影響，主拱肋截取長(zhǎng)度均為直徑的2倍以上，如圖2所示。

圖2 有限元計(jì)算模型

在系桿預(yù)應(yīng)力錨固處、端橫梁預(yù)應(yīng)力錨固處，按照實(shí)際預(yù)應(yīng)力作用于錨墊板施加面荷載，在拱肋、縱梁加載面質(zhì)心位置建立節(jié)點(diǎn)，與加載面上其他各點(diǎn)形成剛臂單元，最后在加載面上施加軸力、剪力、彎矩等節(jié)點(diǎn)荷載。同時(shí)在拱座底部施加固反力Y向反力，端橫梁端部施加固結(jié)約束[6]。

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 應(yīng)力分析

3.1.1 拱座位置處應(yīng)力分析

首先進(jìn)行拱腳位置處拱座的受力進(jìn)行分析，模型中的最大主壓應(yīng)力如圖3。

圖3 拱座混凝土最大主壓應(yīng)力云圖

從圖中可以看出，在啞鈴型拱肋嵌入拱座位置處的極個(gè)別點(diǎn)的最大主壓應(yīng)力能達(dá)到30MPa，這是因?yàn)樵谠撎帉儆诠袄吲c拱座的連接，在拱肋上的荷載傳遞到連接處，造成該處的局部應(yīng)力會(huì)增大，其次就是在拱座與拱肋連接的轉(zhuǎn)彎處，最大主壓應(yīng)力有13MPa，這是因?yàn)楣袄呱蟼鬟f下來(lái)的荷載整體是由該部承擔(dān)了大部分荷載，造成該處的應(yīng)力增大，但均滿足混凝土抗壓強(qiáng)度的要求；最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱肋、拱腳和系梁交接處，這是由于該處的受力是較為復(fù)雜的，有支座的支反力、橫梁傳遞過(guò)來(lái)的軸力、拱肋傳遞來(lái)的彎矩和軸力以及縱梁對(duì)其的傳遞效果，其最大主拉應(yīng)力為1.51MPa，小于混凝土抗拉應(yīng)力2.65MPa，滿足要求。設(shè)計(jì)人員在對(duì)此處進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)橫梁、縱梁和拱肋連接位置處的應(yīng)力進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化。

3.1.2 鋼管內(nèi)混凝土應(yīng)力分析

其次進(jìn)行鋼管內(nèi)混凝土的受力進(jìn)行分析，模型中的最大主壓應(yīng)力如圖4所示。

從圖4可以看出，鋼管內(nèi)混凝土的主壓應(yīng)力大體上是從里到外均勻?qū)舆M(jìn)的，這是因?yàn)榛炷恋牟此杀却笥阡摴艿牟此杀?，在軸心壓力作用下，混凝土的形變大于鋼管的形變，鋼管對(duì)混凝土形成了一個(gè)套箍作用，其最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱肋與拱座連接處，為24.31MPa，其余部分混凝土抗壓應(yīng)力小于32.4MPa，均小于C50混凝土的抗壓強(qiáng)度，滿足承載要求；鋼管內(nèi)混凝土的主拉應(yīng)力除端橫梁、拱腳和系梁交接處出現(xiàn)少量應(yīng)力集中外，其余均小于混凝土抗拉應(yīng)力2.65MPa，滿足承載要求。

圖4 鋼管內(nèi)混凝土最大主壓應(yīng)力云圖

3.1.3 鋼管應(yīng)力分析

隨后進(jìn)行鋼管的應(yīng)力分析，將其Mises應(yīng)力云圖提取如圖5。

從圖5可以可以看出最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在拱肋端管中部，即除鋼管嵌入拱座混凝土內(nèi)部的根部，這是因?yàn)榍度牍白炷羶?nèi)部的鋼管與內(nèi)外混凝土已形成整體，其受力反作用于此處，加上上部拱肋傳遞過(guò)來(lái)的荷載，因此此處的應(yīng)力最大，達(dá)到了110.5MPa，但小于鋼管屈服應(yīng)力345MPa；此外拱肋位置處的鋼管內(nèi)外側(cè)的應(yīng)力大小不同，這是鋼管內(nèi)側(cè)起著約束內(nèi)部混凝土的作用，其反作用下的應(yīng)力要比外側(cè)大，且鋼管的壁厚對(duì)拱腳處應(yīng)力的產(chǎn)生會(huì)有著較大的影響，因此設(shè)計(jì)時(shí)，在可以保證拱肋強(qiáng)度和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，合理優(yōu)化鋼管的壁厚，可以達(dá)到防治拱腳應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

圖5 鋼管Mises應(yīng)力云圖

3.2 剛度分析

最后對(duì)其在受力情況下整體的變形進(jìn)行分析，將其變形結(jié)果圖形提取如圖6。

從圖6可以看出，最大軸力工況下，整個(gè)拱座沿橫橋向向橋面內(nèi)變形，最大變形出現(xiàn)在系梁外側(cè)邊緣，為4.784mm，最小變形在端橫梁外側(cè)邊緣，為0.45mm。可以看出，該處結(jié)構(gòu)的整體剛度比較大，固結(jié)區(qū)域的整體變形較小。能夠滿足規(guī)范要求。

圖6 整體變形圖（單位：mm）

4 結(jié)論

本文以某鋼管混凝土拱橋?yàn)槔?，截取其拱肋拱腳位置處的幾何形狀進(jìn)行有限元分析，對(duì)其整體結(jié)構(gòu)變形、拱腳混凝土受力情況、鋼管內(nèi)混凝土受力情況以及鋼管的整理受力情況進(jìn)行分析，分析結(jié)果如下：

①結(jié)構(gòu)變形：拱腳的結(jié)構(gòu)剛度比較大，在拱腳最大軸力工況下，整個(gè)拱座沿橫橋向向橋面內(nèi)變形，最大變形出現(xiàn)在系梁靠近橋面邊緣，為4.784mm。

②結(jié)構(gòu)應(yīng)力：除極個(gè)別點(diǎn)外，最大主壓應(yīng)力為30MPa，滿足要求；最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱肋、拱腳和系梁交接處，為1.51MPa，小于混凝土抗拉應(yīng)力2.65MPa，滿足要求。最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱肋與拱座連接處，為24.31MPa；除端橫梁、拱腳和系梁交接處出現(xiàn)少量應(yīng)力集中外，主拉應(yīng)力大于混凝土抗拉應(yīng)力2.65MPa，滿足要求。最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在拱肋端管中部，為110.5MPa，小于鋼管屈服應(yīng)力345MPa，滿足要求。

因此，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)著重對(duì)橫梁、縱梁和拱肋連接位置處的應(yīng)力以及鋼管的壁厚進(jìn)行考慮。本文可為相關(guān)工程提供參考。