桑壩大橋拱橋支架有限元分析

陳偉剛 黃 勇

1 工程概況

貴州省正安縣桑壩大橋是一座鋼筋混凝土箱形截面懸鏈?zhǔn)焦皹?。拱圈凈跨?15 m,矢跨比為1/5,拱軸系數(shù)m=1.756,橋梁全寬9.0 m,其中車行道7.0 m,兩側(cè)人行道及欄桿各1.0 m,拱圈截面寬度為7.0 m,拱圈截面高度為2.0 m。拱圈為單箱雙室截面,施工方法為拱架現(xiàn)澆。本文針對(duì)主拱圈施工過(guò)程中拱架的靜力進(jìn)行有限元分析。

2 施工方案

2.1 拱架的總體布置

本橋拱架由貝雷鋼桁架懸臂拼裝而成。為了適應(yīng)懸鏈線形拱圈的形狀,在一定位置插入特制的梯形鋼桁架(見(jiàn)圖1),最后形成一個(gè)折線形的貝雷鋼拱架。拱架跨度為112.7 m。

本橋的拱架由17排桁架組成,每排桁架由38片貝雷桁片,8個(gè)梯形架和2個(gè)拱腳構(gòu)架組成,每排桁架之間的中心距離為0.45 m,上、下弦桿平面內(nèi)布置貝雷桁架的標(biāo)準(zhǔn)支撐架作為上、下平聯(lián),以確保桁架弦桿桿件的面外整體穩(wěn)定承載力和桁架結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定承載力。在桁架豎腹桿上布置標(biāo)準(zhǔn)支撐架作為橫向(徑向)連接系,以確保各排桁架受力的均勻性和拱架結(jié)構(gòu)的整體性。

2.2 拱架的拼裝及主拱圈混凝土的澆筑順序

1)用臨時(shí)扣索掛拱架進(jìn)行懸臂拼裝;

2)拱架合龍后解除全臨時(shí)扣索,形成雙鉸拱的拱架;

3)安裝拱腳上、下弦桿,形成無(wú)鉸拱拱架;

4)安裝支架及模板;

5)按拱圈底板及下馬蹄混凝土重量1.2倍的試驗(yàn)荷載對(duì)拱架進(jìn)行荷載試驗(yàn);

6)澆筑主拱圈底板及下馬蹄混凝土;

7)澆筑腹板及橫隔板混凝土;

8)澆筑主拱圈頂板及上馬蹄混凝土;

9)拆除拱架。

3 拱架的有限元分析

3.1 計(jì)算工況

根據(jù)主拱圈混凝土的施工過(guò)程,選擇了四種工況,具體如下:

1)工況一:P(拱架自重+鋼管支架及模板自重+施工荷載);

2)工況二:P+底板及下馬蹄混凝土自重;

3)工況三:P+底板及下馬蹄混凝土自重(0.8E)+腹板自重;

4)工況四:P+底板及下馬蹄混凝土自重(1.0E)+腹板自重(0.8E)+頂板混凝土及上馬蹄自重。

注:E為混凝土標(biāo)準(zhǔn)彈性模量,考慮到主拱箱下一工序結(jié)構(gòu)荷載作用時(shí),上一工序施工的結(jié)構(gòu)彈性模量并未完全達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)彈性模量,按80%計(jì)算。

3.2 計(jì)算模型

拱架計(jì)算采用大型有限元程序ANSYS。拱架模型所有弦桿均采用空間梁?jiǎn)卧?見(jiàn)圖2),結(jié)合工程實(shí)際情況,貝雷桁片的內(nèi)部節(jié)點(diǎn),按具有抗彎剛度的剛性節(jié)點(diǎn)考慮,所有的銷接拼接節(jié)點(diǎn)均按鉸節(jié)點(diǎn)考慮。其中鋼材的彈性模量采用2×105MPa,鋼材的密度為 7800 kg/m3,鋼材的線膨脹系數(shù)采用1.2×10-5;拱圈混凝土的彈性模量采用3.252×104MPa,容重按25kN/m3計(jì)。貝雷片主桁桿件(包括加強(qiáng)弦桿)、梯形桁架桿件以及拱腳構(gòu)架桿件的材料均為16Mn。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)ANSYS計(jì)算可得拱架上各主要控制截面在各工況下的強(qiáng)度(應(yīng)力)和剛度(位移變形),分別見(jiàn)表1,表 2。

表1 各種工況下拱架上下弦桿的最大應(yīng)力 MPa

表2 各工況下拱架的豎向位移 mm

由表1,表2計(jì)算數(shù)據(jù)可以看出,拱架在施工過(guò)程中上、下弦桿各工況的最大彎曲應(yīng)力分別為144MPa和182MPa,小于其容許壓應(yīng)力200MPa;拱架在四種工況下的最大撓度為130mm,約為拱架跨度的1/885,遠(yuǎn)小于規(guī)范所規(guī)定的變形限值1/282。

4 結(jié)語(yǔ)

1)本工程拱圈混凝土分三層澆筑,在澆筑腹板時(shí)考慮底板的共同作用、澆筑頂板時(shí)考慮開(kāi)口箱的共同作用,拱架弦桿的最大應(yīng)力為182MPa＜200MPa。并且拱架的腹桿應(yīng)力也較小,在各種工況下也都能滿足承載力需求。故本工程拱架桿件承載力滿足規(guī)范要求。2)由計(jì)算可知,拱架具有較大的剛度。拱頂?shù)淖畲髶隙葹?30mm＜112700/400=281.8mm。為保證后續(xù)施工過(guò)程的順利進(jìn)行提供了良好的條件。3)拱圈混凝土分段澆筑過(guò)程中應(yīng)注意拱架荷載的對(duì)稱性。4)拱架橫向連系是拱架結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定的關(guān)鍵因素,應(yīng)重視拱架的可靠性和有效性。

[1] 貴州橋梁設(shè)計(jì)院.桑壩大橋施工設(shè)計(jì)圖[Z].2005.

[2] 貴州省公路工程總公司.桑壩大橋拱架設(shè)計(jì)方案[Z].2009.

[3] 王 琳,鄧 凡.某拱架整體穩(wěn)定性有限元分析[J].山西建筑,2007,33(31):313-314.

[4] 尹幫奇.獨(dú)木河大橋貝雷拱架靜力分析[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008(6):53-54.

[5] 項(xiàng)海帆.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論[M].北京:人民交通出版社,2001.

[6] JTG D62-2004,公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].