某鐵路槽型梁拱橋拱腳局部應(yīng)力分析

史灼

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津300308）

1 引言

1.1 概述

槽型梁拱組合橋梁因凈空優(yōu)化、受力明確、造型美觀等特點越來越多地應(yīng)用于我國橋梁建設(shè)中[1]。拱梁結(jié)合處是受力關(guān)鍵且較為復(fù)雜的部位，剛度變化較為明顯，主要承受拱的推力、支座反力、預(yù)應(yīng)力等荷載作用。為保證結(jié)構(gòu)的安全耐久性，對拱腳位置的局部應(yīng)力狀態(tài)進行細(xì)致的分析研究顯得尤為必要[2，3]。

在上述背景下，為精確模擬拱腳位置結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，本文采用兩部走的方法：第一步，建立全橋?qū)嶓w元模型，以精確模擬結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，提取不同工況下拱肋截面的荷載結(jié)果；第二步，建立更為精細(xì)化的拱腳局部分析模型，將拱肋截面的荷載視為外力作用，分析拱腳局部應(yīng)力的分布特征，具有一定的工程應(yīng)用價值。

1.2 工程概況

某鐵路上跨高速公路節(jié)點采用簡支槽型梁拱組合結(jié)構(gòu)，以滿足橋下凈空要求，降低鐵路縱斷面。

結(jié)構(gòu)布置采用剛性系梁柔性拱，雙拱肋體系，支架現(xiàn)澆，先梁后拱施工。橋梁計算跨度56 m，設(shè)計矢高8 m，矢跨比1/7，拱軸線采用二次拋物線。拱肋為鋼管混凝土材料，橫截面為圓端形鋼管，內(nèi)部填充C50自密實補償收縮混凝土。

結(jié)構(gòu)采用圖1所示槽型截面，由橋面板和邊主梁構(gòu)成。兩側(cè)各對稱設(shè)置一道邊主梁，中間由橋面板連接。橋面板于梁端局部進行較厚，板底與邊主梁底平齊；板厚過渡段、邊主梁及橋面板橫向連接處均設(shè)倒角。邊主梁橫截面為矩形截面，在梁端進行局部加寬加高，局部段落進行過渡處理。

圖1 槽型梁拱結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖

2 仿真模擬

2.1 整體模型

建模過程中，采用二力桿單元Link8模擬吊桿的單向受力特性；考慮到鋼管混凝土填芯，采用板單元Shell63模擬鋼管的空間變形及受力狀態(tài)；縱橫向預(yù)應(yīng)力鋼束通過三維梁單元Beam189實現(xiàn)；支座用質(zhì)量單元Mass21模擬；為更準(zhǔn)確反映材料特性，減小簡化誤差，其他結(jié)構(gòu)均采用實體單元Solid45模擬。所建立槽型梁拱組合結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 全橋?qū)嶓w模型

2.2 拱腳模型

基于ANSYS有限元軟件建立拱腳空間局部有限元模型，進行局部應(yīng)力分析，如圖3所示。選取1/4拱腳結(jié)構(gòu)節(jié)段，橫向截取整個結(jié)構(gòu)寬度的1/2，包括拱肋、拱腳、主梁、橋面板、支座以及預(yù)應(yīng)力鋼束等結(jié)構(gòu)。建模過程中所采取的單元及細(xì)部參數(shù)與全橋整體模型保持一致。

圖3 拱腳局部模型

2.3 邊界條件

1）約束：近似模擬結(jié)構(gòu)的實際約束效果。將梁體對局部實體模型的作用簡化為約束，A面僅考慮橫橋向的支承，B面簡化為固結(jié)；支座位置僅考慮豎向支承。

2）荷載：作用的局部結(jié)構(gòu)上的荷載有二期和縱橫向鋼束的預(yù)應(yīng)力荷載；此外，考慮運營期間主力和主力+附加力2種不利工況，于全橋模型中提取不同工況下作用于拱肋截面的荷載，分別匯總于表1。

表1 拱肋截面作用荷載

3 計算結(jié)果

采用表1中相應(yīng)荷載加載于局部模型拱肋截面，分別得到主力和主附工況下計算結(jié)果。

3.1 主力工況

主力工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 主力工況作用下拱腳局部主應(yīng)力云圖

由圖4可見：

1）混凝土的主壓應(yīng)力有較大的安全儲備。拱肋截面和拱腳變截面位置的主壓應(yīng)力不超過4 MPa，拱腳結(jié)構(gòu)其他位置該數(shù)值處于2 MPa以內(nèi)，相對主力工況下20.1 MPa的限值仍有較大的壓應(yīng)力儲備。

2）混凝土的主拉應(yīng)力是拱腳位置的受力控制因素。在預(yù)應(yīng)力束張拉部位出現(xiàn)較為明顯的失真情況；拱肋與拱腳的鋼混結(jié)合部位出現(xiàn)小區(qū)域范圍的集中應(yīng)力；而拱腳其他部位均滿足運營狀態(tài)結(jié)構(gòu)的混凝土應(yīng)力限值。

3）拱腳處最大主拉應(yīng)力在5 MPa以內(nèi)，位于拱肋與主梁相接部位下緣，應(yīng)力流方向為垂直于拱軸線。

3.2 主附工況

拱腳處出現(xiàn)較大的集中應(yīng)力，超過了規(guī)范規(guī)定的混凝土抗拉強度限值。故需要加強拱腳位置的配筋，并進行普通鋼筋的鋼筋應(yīng)力和裂縫寬度檢算。主附工況下應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 主附工況作用下拱腳局部主應(yīng)力云圖

由圖5可見：

1）混凝土主壓應(yīng)力與主力工況下相近，有較為明顯的富余量。

2）拱腳處局部應(yīng)力分析受控位置為拱肋與主梁相接位置下緣位置，最大主拉應(yīng)力為6 MPa，垂直于拱軸線的剪力及彎矩為主要作用因素。

3.3 配筋檢算

針對鋼混結(jié)合處，即拱肋與拱腳接觸位置的上下緣較為明顯的應(yīng)力集中，設(shè)計時，在此處加大受拉鋼筋的配置，并予以檢算。

參考相應(yīng)鐵路規(guī)范[4]，以鋼筋混凝土截面受彎及偏心受壓構(gòu)件的裂縫寬度和鋼筋應(yīng)力為研究對象，對拱肋下緣集中應(yīng)力區(qū)域進行截面配筋檢算，見表2。

表2 各工況下拱腳配筋檢算結(jié)果

表2中計算結(jié)果顯示，拱腳位置鋼筋的拉應(yīng)力和混凝土裂縫寬度均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)論

以某鐵路56 m簡支槽型梁拱組合結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，建立了全橋?qū)嶓w有限元模型和拱腳局部精細(xì)化模型，分析了拱腳位置應(yīng)力分布狀態(tài)，采用并驗證了在拱腳區(qū)域加大普通鋼筋配置以改善應(yīng)力集中問題。主要結(jié)論如下：

1）拱腳順橋向大范圍以受壓為主，且主壓應(yīng)力存在較大的安全儲備；拱腳位置鋼混結(jié)合處和剛度突變位置容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2）拱肋與主梁相接位置下緣位置，主拉應(yīng)力較為集中，應(yīng)力流方向為垂直于拱軸線；相較于拱肋傳遞的軸向力，垂直于拱軸線的剪力及彎矩為主要作用因素。

3）通過加強拱腳局部的普通鋼筋配置，可以有效改善該位置的應(yīng)力狀態(tài)。