連續(xù)梁拱橋拱梁結合面空間靜力行為研究

李新舜

（四川藏區(qū)高速公路有限責任公司， 四川 成都 610041）

1 工程概況

某連續(xù)梁拱體系組合橋主橋是由預應力混凝土連續(xù)梁與鋼管混凝土拱的組合結構，跨徑布置為64.95+136+64.95=265.9m，如圖1 所示。主梁和拱座均為混凝土結構，主梁采用單箱雙室變高度箱形截面，拱肋采用鋼管混凝土結構。梁拱組合橋結構受力性能獨特，而許多工程結構的破壞失效大多都是從局部開始，截至目前已有較多連續(xù)梁拱組合橋拱座附近出現(xiàn)了裂縫病害，拱梁結合面局部受力情況備受關注。為在施工階段提供理論建議并保證橋梁結構體系安全營運，因此對拱梁結合面進行受力分析。

圖1 橋梁立面布置圖

2 模型建立與參數(shù)設置

2.1 模型建立

本文主要研究拱梁結合面的受力情況，暫未考慮普通鋼筋以及橫橋向、順橋向預應力筋效應影響，僅考慮豎向預應力作用效應，同時將鋼管混凝土拱肋簡化為實體鋼拱肋，根據(jù)設計資料利用Ansys 建立三維有限元實體模型，網(wǎng)格單元劃分如圖2 所示。

圖2 拱梁結合部有限元模型

2.2 參數(shù)設置

2.2.1 材料參數(shù)

主梁和拱座均采用C55 混凝土，拱圈采用Q345qD 鋼，預應力筋采用PSB930Φ32 高強精扎螺紋鋼筋。材料特性參數(shù)見表1。其中，C55 砼中1為軸心抗壓強度設計值，2為軸心抗拉強度設計值；Q345 鋼中1為板厚16mm＜≤35mm 強度設計值，2為35mm＜≤50mm 強度設計值；Φ32 螺紋鋼中1為抗壓強度設計值，2為抗拉強度設計值。

表1 橋梁結構材料特性表

2.2.2 荷載參數(shù)

根據(jù)設計資料可知，拱截面為啞鈴型，且軸力荷載僅由啞鈴上下兩端圓形拱截面承受，拱座與梁體0 號段配預應力筋，軸力荷載與豎向預應力荷載值見表2。

表2 拱圈軸力與主梁預應力荷載表

2.2.3 邊界條件

由于梁體自身剛度較大，成橋狀態(tài)相鄰截面剛接且不發(fā)生旋轉和剪切變形，故將主梁兩端截面采用固結方式進行模擬。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 對稱性分析

已知三維有限元模型是對稱結構，為研究結構在實際施工和營運過程中是否受扭以及有其他力學特征，因此對結構進行對稱性分析。在兩拱座對應位置選定兩條路徑，此處以拱座外側縱向路徑為研究點，圖3、圖4為路徑示意圖（下文適用），對稱性分析結果如圖5、圖6 所示。

圖3 左拱座縱向、橫向路徑1

圖4 左拱座縱向、橫向路徑2

圖5 左右拱座X 軸位移

圖6 左右拱座Y 軸位移

圖5、6 表明左右兩拱在X 軸（橫向）、Y 軸（豎向）位移值完全相等，少量點位誤差不超過1%，由此可知結構在X、Y 方向滿足對稱性要求。Z 軸與Y 軸相似，兩拱座位移完全同步，此處不再作圖。根據(jù)變形協(xié)調(diào)原理可知拱梁結合部位應力狀態(tài)也滿足對稱性要求，總體穩(wěn)定可靠。

3.2 結合面應力分析

為進一步了解結合面內(nèi)部應力分布狀態(tài)，以X 軸為法向軸進行切片分析，結合面范圍內(nèi)的X 取值在4.8m～6.3m 之間，由于篇幅原因，此處僅展示X=5.55 剖面的第一主應力分布圖，見圖7～圖8，第三主應力分布圖見圖9、圖10 所示。

圖7 拱梁結合段第一主應力分布圖

圖8 X=5.55m 剖面第一主應力分布圖

圖9 拱梁結合段第三主應力分布圖

圖10 X=5.55m 剖面第三主應力分布圖

根據(jù)第一強度理論，結合以上應力圖分析可知，拱梁結合面的最大拉應力（第一主應力）不超過1.29MPa，最大壓應力低于1.88MPa，均滿足混凝土的極限抗拉、抗壓強度，可初步判斷拱梁結合面在施工以及營運期間不會出現(xiàn)荷載導致的開裂。

3.3 結合面應力極值分布

圖11 縱向路徑1 應力云圖

圖12 縱向路徑2 應力云圖

圖13 拱座縱向路徑1、2 應力圖

圖14 拱座橫向路徑1、2 應力圖

根據(jù)對拱梁結合面設置若干縱向路徑和橫向路徑進行對比分析，得知拱座內(nèi)側邊緣（縱向路徑1）應力最大，拱座外側邊緣（縱向路徑2）應力最小，且兩條路徑應力從近拱端到遠拱端整體呈減小趨勢分布，橫向路徑從內(nèi)側到外側也是逐漸減小。

3.4 鋼拱von mises 應力分析

圖15 鋼拱等效應力分布圖

圖16 X=5.55m 剖面等效應力分布圖

根據(jù)第四強度理論（形狀改變能密度理論）可知，鋼材屬于塑性材料。通過von mises stress（等效應力）來研究鋼拱內(nèi)部的復雜應力狀態(tài)，根據(jù)計算結果可知，鋼拱所受應力均小于其本身許用應力值，不會發(fā)生屈服失穩(wěn)。

4 結束語

（1）根據(jù)既有資料對64.95+136+64.95=265.9m 連續(xù)梁拱橋營運狀態(tài)下拱梁結合段受力狀況進行數(shù)值模擬分析，單個拱座承受荷載取2700噸，經(jīng)計算可知拱梁結合面最大拉應力不超過1.29MPa，最大壓應力小于1.88MPa，均滿足混凝土的極限抗拉、抗壓強度。

（2）拱座內(nèi)側（車道側）應力大于外側（人行道側）應力，從近拱端（靠跨中一側）到遠拱端（靠橋頭一側）整體呈先快速增大再逐漸減小的分布趨勢；近拱端內(nèi)側到外側應力逐漸減小，遠拱端內(nèi)側到外側應力總體較小，呈先緩慢減小再增大的分布趨勢，此現(xiàn)象符合應力擴散規(guī)律。

（3）本文模型中鋼管混凝土拱用各向同性材料替代，后期可針對鋼管混凝土拱澆筑以及拱肋穩(wěn)定性作進一步驗證分析。