中承式拱梁組合體系運(yùn)營階段整體受力分析

■ 楊登峰 李鴻強(qiáng)

(新疆興亞工程建設(shè)有限公司， 昌吉 831100)

運(yùn)營狀態(tài)下的橋梁承受著橋梁自身恒載、活載，風(fēng)荷載等外界作用的影響，對橋梁自身穩(wěn)定性是巨大的考驗(yàn)。 因此，對運(yùn)營狀態(tài)下橋梁的受力和變形進(jìn)行分析對于保證橋梁穩(wěn)定性具有重要的意義。近年來，國內(nèi)學(xué)者對此進(jìn)行了一些研究，主要有：文獻(xiàn)[1-2]以某跨河梁拱組合體系橋?yàn)檠芯繉ο螅糜邢拊治鲕浖﨧idas/Civil 建立空間模型模擬，分析了梁拱組合體系橋的受力特點(diǎn)， 得出結(jié)構(gòu)在不同施工階段下的吊桿索力及其變化趨勢， 同時(shí)研究得到在不同設(shè)計(jì)荷載組合下主梁和拱肋內(nèi)力的變化趨勢；文獻(xiàn)[3-4]結(jié)合某拱梁組合體系橋的建設(shè)，采用有限元程序建立該橋關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)分析空間有限元模型，模擬該部位在各種荷載工況下的受力情況，得出該部位的應(yīng)力狀態(tài)；文獻(xiàn)[5-6]以某主橋?yàn)檠芯勘尘?，對拱腳處的受力進(jìn)行了分析，采用混合有限單元法，運(yùn)用MIDAS/Civil 軟件建立空間有限元模型，對全橋整體和拱腳局部進(jìn)行了模擬計(jì)算， 結(jié)果表明福元路湘江大橋拱腳各構(gòu)件應(yīng)力值均小于材料容許應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)要求。 本文主要以某中承式拱梁橋?yàn)檠芯繉ο螅ㄟ^對橋梁在恒載、移動(dòng)荷載以及運(yùn)營階段最不利荷載組合作用下的分析，驗(yàn)算了其穩(wěn)定特性，研究結(jié)果可為類似工程設(shè)計(jì)和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

某景觀大橋?yàn)橹谐惺焦皹颍?設(shè)計(jì)跨數(shù)為2 跨，每跨長度為80 m。 橋梁的拱肋采用鋼結(jié)構(gòu)形式，橋梁的設(shè)計(jì)截面形式為矩形，寬度2 m。吊桿與水平之間設(shè)計(jì)角度為60°，銳角朝向中跨方向，主梁采用預(yù)應(yīng)力砼箱梁，全橋共6 個(gè)支墩，分別位于橋梁兩端和中間。拱線跨度大小為67 m，失高大小為15.0 m。在橋梁的每一節(jié)段設(shè)置有3～5 個(gè)橫隔板，其厚度為15 mm；橋梁底板設(shè)置有3 道加勁板肋，方向?yàn)檠貥蛄嚎v向；在橋梁腹板內(nèi)同樣設(shè)置有間距為50 cm 的加勁板肋，沿縱向布置3～5 道，其高度和厚度值分別為250 mm 和20 mm，二期恒載值取205 kN/m。

2 數(shù)值建模

2.1 模型建立

圖1 為采用有限元軟件Midas/civil 建模得到的橋梁模型圖。 跨徑為2×80 m，吊桿為15-19 型雙吊桿索，共96 個(gè)。 其中系桿和吊桿均采用桁架進(jìn)行模擬，其余結(jié)構(gòu)采用梁單元進(jìn)行模擬。 模型中共有589 個(gè)節(jié)點(diǎn)，共536 個(gè)單元，由于本文只分析上部結(jié)構(gòu)，因此對于樁基的作用不予考慮，在承載下部進(jìn)行固結(jié)處理，將橋梁自重、二期恒載以及預(yù)張拉應(yīng)力等施加到橋梁上。 表1～2 分別為模型材料參數(shù)和鋼材料參數(shù)表。

圖1 數(shù)值模型圖

表1 模型材料參數(shù)

表2 鋼材料參數(shù)

施工過程模擬如表3 所示。

表3 工況表

3 運(yùn)營階段橋梁整體受力數(shù)值分析

3.1 恒載作用下的結(jié)構(gòu)受力分析

3.1.1 主梁和拱肋內(nèi)力分析

圖2 為成橋狀態(tài)時(shí)主梁和拱肋的彎矩圖， 由圖可知，對于主梁的彎矩圖，在梁的兩端彎矩較大，中間彎矩值較小且分布均勻。 在有繩索分布的地方彎矩分布較為均勻，說明該橋梁的繩索設(shè)置比較合理。對于拱肋彎矩圖，除端部彎矩較大外，其他部位彎矩值較小且分布較為均勻， 最大值為7600 kN·m。 此外， 在中間部位彎矩分布呈現(xiàn)出有規(guī)律的波浪形變化形式，彎矩整體水平較低，且恒載作用下拱肋以受壓為主。

圖2 成橋狀態(tài)時(shí)彎矩圖

3.1.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

圖3 為成橋狀態(tài)時(shí)的主梁上下緣的正應(yīng)力圖，圖4 為成橋狀態(tài)時(shí)的拱肋正應(yīng)力包絡(luò)圖，由圖可知，在成橋狀態(tài)下，其應(yīng)力均呈現(xiàn)出較為均勻的分布狀態(tài)，且主梁和拱肋的截面均表現(xiàn)為受壓。 對于主梁， 其最大應(yīng)力值為-9.57 MPa， 最小應(yīng)力值為-3.03 MPa； 拱肋的最大應(yīng)力值為-82.42 MPa，最小應(yīng)力值為-45.04 MPa。

圖3 成橋狀態(tài)時(shí)的主梁正應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖4 成橋狀態(tài)時(shí)的拱肋正應(yīng)力包絡(luò)圖(單位：MPa)

3.1.3 主梁撓度分析

圖5 為成橋狀態(tài)時(shí)的主梁撓度圖， 由圖可知，主梁撓度值均小于10 mm，在主梁兩端橋墩處撓度最大，最大值為-9.27 mm，針對這一現(xiàn)象，在施工過程中可采用預(yù)設(shè)值一定的預(yù)拱度來消除兩側(cè)撓度過大現(xiàn)象。

圖5 成橋狀態(tài)時(shí)的主梁撓度圖

3.2 移動(dòng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

為了重點(diǎn)分析在移動(dòng)荷載下的主梁的撓度變化，圖6 示出了移動(dòng)荷載下的主梁撓度圖， 由圖可知，對于該橋梁的兩個(gè)跨，均在跨中撓度值最大，最大值為8.4 mm，對于活載下的撓度規(guī)定，已知主梁跨度為80 m， 通過計(jì)算可知允許最大撓度值為160 mm，因此，移動(dòng)荷載下的主梁的撓度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 移動(dòng)荷載下的主梁撓度圖

3.3 運(yùn)營階段的最不利荷載組合下受力分析3.3.1 應(yīng)力分析

在橋梁運(yùn)營階段， 經(jīng)常受到橋梁自身恒載、活載，風(fēng)荷載等外界作用的影響，此時(shí)，在上述荷載組合情況下，橋梁會(huì)出現(xiàn)最不利受力狀態(tài)。 為了對橋梁在最不利狀態(tài)下的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，圖7 給出了標(biāo)準(zhǔn)組合荷載下的主梁截面和拱肋截面的正應(yīng)力包絡(luò)圖。 由圖可知，在最不利狀態(tài)下，主梁最大應(yīng)力值為9.81 MPa，小于設(shè)計(jì)規(guī)定的16.2 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。對于橋梁拱肋，最大應(yīng)力值為113.09 MPa，小于設(shè)計(jì)規(guī)定的200 MPa。 綜上可知，對于橋梁主梁和拱肋，其應(yīng)力均小于設(shè)計(jì)規(guī)定值，且具有較大的安全儲(chǔ)備空間。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)組合下正應(yīng)力包絡(luò)圖

3.3.2 吊桿和系桿應(yīng)力驗(yàn)算分析

圖8 為標(biāo)準(zhǔn)組合下吊桿和系桿內(nèi)力圖，通過計(jì)算可知吊桿和系桿的安全系數(shù)分別為3.18 和2.71， 均大于規(guī)范要求的拱橋吊桿和系桿安全系數(shù)大于3.0 和2.5 的規(guī)定， 即在正常運(yùn)營階段，吊桿和系桿的應(yīng)力均滿足驗(yàn)算要求。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)組合下吊桿和系桿內(nèi)力圖

4 結(jié)論

本文主要以某中承式拱梁橋?yàn)檠芯繉ο?，通過對橋梁在恒載、移動(dòng)荷載以及運(yùn)營階段最不利荷載組合作用下的分析，驗(yàn)算了其穩(wěn)定特性，得到以下結(jié)論：

(1)恒載作用下，主梁的兩端彎矩較大，中間彎矩值較小且分布均勻，說明該橋梁的繩索設(shè)置比較合理。 除端部拱肋彎矩較大外，其他部位彎矩值較小且分布較為均勻，彎矩整體水平較低，拱肋以受壓為主。 施工過程中可采用預(yù)設(shè)值一定的預(yù)拱度來消除兩側(cè)撓度過大現(xiàn)象。

(2)移動(dòng)荷載下主梁在跨中撓度值最大，最大值為8.4 mm， 滿足最大撓度值小于160 mm 的規(guī)定，即移動(dòng)荷載下的主梁的撓度滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)在最不利狀態(tài)下，對于橋梁主梁和拱肋，其應(yīng)力均小于設(shè)計(jì)規(guī)定值，且具有較大的安全儲(chǔ)備空間。 同時(shí)在正常運(yùn)營階段，吊桿和系桿的應(yīng)力也均滿足驗(yàn)算要求。