大跨度鐵路連續(xù)梁-拱組合橋拱腳應(yīng)力研究

金 森，王 炎，胡曉東，曹成杰，魯 超

(1.浙江理工大學建筑工程學院，浙江 杭州 310000；2.中鐵四局集團有限公司，安徽 合肥 230041；3.浙江存真土木工程技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310000；4.杭州地方鐵路開發(fā)有限公司，浙江 杭州 310000)

連續(xù)梁-鋼管混凝土拱組合橋承載能力高、施工便捷、對地基適應(yīng)性強等優(yōu)點，在高速鐵路建設(shè)中應(yīng)用廣泛[1- 3]。對于鋼管混凝土連續(xù)梁拱組合橋而言，拱腳位于拱肋、主梁、墩柱、橫梁等構(gòu)件集中交匯處，是受力的關(guān)鍵部位，不僅要承受拱肋傳遞的彎矩和軸力，還要承受主梁及端橫梁傳遞的縱向、橫向預應(yīng)力和彎矩，受力及結(jié)構(gòu)十分復雜[4- 5]，在該處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導致拱腳部位裂縫的產(chǎn)生。

目前，對連續(xù)梁-拱組合橋拱腳開裂機理及應(yīng)力分布規(guī)律已經(jīng)有了一些探討和研究。尚軍亮、鄧風亭、李明[6- 8]等人對鋼管混凝土拱橋拱腳裂縫原因進行了分析，認為施工階段泵送混凝土壓力擠壓鋼管變形以及拱腳外包混凝土拉應(yīng)力過大導致拱腳開裂。劉國光、李金凱、崔鳳坤[9- 11]等人對拱腳應(yīng)力分布規(guī)律進行了研究，認為拱腳局部存在應(yīng)力集中情況，主要位于鋼管混凝土拱肋與拱座連接處，該處局部應(yīng)力過大引起拱腳混凝土開裂。綜上所述，目前對于拱腳開裂機理及應(yīng)力分布規(guī)律已經(jīng)有了一定成果，但是多數(shù)是基于成橋狀態(tài)或某一施工節(jié)點進行，而針對整個施工過程的應(yīng)力研究較少。因此本文從有限元模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的角度針對拱腳在施工過程中的應(yīng)力分布及變化規(guī)律進行分析探討，為類似工程建設(shè)提供參考。

1 工程概況

本文以一座(76+160+76)m連續(xù)梁-鋼管混凝土拱組合橋為研究對象，連續(xù)梁為預應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，全長312m。主梁采用單箱雙室變高度箱形截面，跨中及邊支點處梁高4.5m，中支點處梁高9.0m，梁高按圓曲線變化。拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，計算跨度L=160.0m，設(shè)計矢高f=32.0m，矢跨比f/L=1∶5，主拱采用等高啞鈴型截面，截面高度為3000mm，由上、下2個單圓鋼管和綴板焊接而成。上、下單圓鋼管直徑為1000mm，壁厚為16mm。二榀拱肋之間共設(shè)9道橫撐，橫撐均采用空間桁架撐，各橫撐由4根Φ450mm×12mm主鋼管和32根Φ250mm×10mm連接鋼管組成。全橋共設(shè)15組雙吊桿，每組吊桿順橋向間距9m。主橋橋型布置圖如圖1所示。

主橋的施工方法為“先梁后拱”[12]，主要的施工步驟為：①利用掛籃懸臂澆筑主梁；②合攏吊架配合進行邊跨和中跨合攏；③搭設(shè)橋面支架，利用支架進行拱肋的分段拼裝；④拆除橋面支架，依次進行拱肋上下弦管及綴板內(nèi)混凝土的灌注；⑤吊桿進行初張拉；⑥橋面二期恒載的鋪設(shè)；⑦吊桿二次調(diào)索至設(shè)計索力。

2 拱腳應(yīng)力監(jiān)測點布置

選定左右側(cè)拱座背面1-a～1-b和1-a’～1-b’、上下弦管與拱座交界處2-a～2-d和2-a’～2-d’、上下弦管端部3-a～3-d和3-a’～3-d’共20個位置為應(yīng)力監(jiān)測點，左右側(cè)拱座的應(yīng)力監(jiān)測點對稱布置，如圖2所示，通過埋入式智能弦式應(yīng)變計來監(jiān)測施工過程中的拱腳局部應(yīng)力，并根據(jù)拱腳混凝土的傳力特點，將弦式應(yīng)變計沿主筋方向布置，如圖3所示。

3 有限元分析模型

在連續(xù)梁-鋼管混凝土拱組合橋中，拱腳位于結(jié)構(gòu)交匯處，受力及構(gòu)造十分復雜。在全橋模型中，拱腳結(jié)點用桿系單元進行了簡化處理，從而忽略了拱腳的具體構(gòu)造。顯然，簡化處理下的結(jié)點受力不能充分反映拱腳的具體受力情況，需要采用更精確的局部模擬分析，才能準確地求解拱腳處的應(yīng)力分布規(guī)律[13- 14]。因此，建立多尺度有限元模型進行拱腳受力特性分析具有必要性，本文先通過建立全橋模型，并提取出各施工階段的局部等效邊界荷載，再將該荷載施加到局部有限元模型中進行拱腳受力特性分析。

3.1 全橋有限元模型建立

全橋模型采用有限元分析軟件Midas/Civil建立，如圖4所示。在模型中主梁、拱肋及橫撐采用梁單元模擬，吊桿采用只受拉桁架單元模擬，拱肋截面采用施工階段聯(lián)合截面建立，結(jié)構(gòu)考慮縱向預應(yīng)力荷載及收縮徐變，根據(jù)實際施工工況進行施工階段模擬[15]。模型中x軸為順橋向，y軸為橫橋向，z軸為豎橋向。

通過有限元模擬計算，得到各個施工工況的等效邊界荷載，見表1。其中，軸力N以受拉為正；剪力Q以順指針方向旋轉(zhuǎn)為正；彎矩M以下側(cè)受拉為正。

表1 截斷處等效邊界荷載結(jié)果

3.2 拱腳實體模型建立

拱腳實體模型采用ANSYS建立，如圖5所示[16]。在建立模型時假定拱肋鋼管與填充混凝土協(xié)調(diào)變形，不考慮材料非線性，以及拱肋與拱腳混凝土的相對滑移。實體模型采用SOLID45單元模擬，拱肋、拱座及主梁采用共節(jié)點方式進行耦合?；炷良肮袄咪摴懿馁|(zhì)分別采用C55混凝土和Q325D鋼材，材料參數(shù)通過TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》選取[17]。模型的邊界內(nèi)力加載通過剛性面法來實現(xiàn)，如圖6所示[18]。即通過在截斷面幾何中心處建立mass21質(zhì)量點單元并施加截斷面邊界荷載，見表1，然后采用rbe3剛性連接單元將質(zhì)量點單元與截斷面的節(jié)點連接，從而實現(xiàn)荷載的分配。模型中z軸為順橋向，x軸為橫橋向，y軸為豎橋向。在建立拱腳局部模型時，根據(jù)實際的支座位置在實體模型底部進行約束，其中，中支座約束z和x方向，邊支座約束z向，主梁端部截面約束平面外的平動和平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動。

4 有限元計算結(jié)果與實測值比較

4.1 拱腳局部模型計算結(jié)果

拱座及拱肋材料為C55混凝土，屬于實體脆性結(jié)構(gòu)，根據(jù)第一、第二強度理論，采用第一主應(yīng)力進行最不利拉應(yīng)力分析，采用第三主應(yīng)力進行最不利壓應(yīng)力分析。根據(jù)有限元計算結(jié)果，各監(jiān)測點施工過程中的理論結(jié)果如圖7所示，得到拱座的應(yīng)力分布情況為拱肋與拱座交界處為最不利位置，拱座背面次之，上下弦管端部的應(yīng)力值最小。其中最大的拉壓應(yīng)力均出現(xiàn)拱肋與拱座交界處，變化規(guī)律如圖8所示。

經(jīng)分析，拱座混凝土在施工過程中基本處于受壓狀態(tài)，在工況Ⅲ及后續(xù)工況時，拱座混凝土壓應(yīng)力顯著增大，在工況Ⅴ時壓應(yīng)力達到最大值-12.671MPa，如圖9(a)所示；拱座混凝土最大拉應(yīng)力變化情況為：在工況Ⅰ時，最大拉應(yīng)力為拱肋上弦管交匯點，最大拉應(yīng)力為0.559MPa，如圖9(b)所示。隨著吊桿張拉、橋面鋪設(shè)等工況的進行，拱肋豎向荷載增大，最大拉應(yīng)力由上弦管交匯點轉(zhuǎn)變?yōu)橄孪夜芙粎R點，在工況Ⅳ時，下弦管交匯點最大拉應(yīng)力為1.758MPa，如圖9(c)所示。二次調(diào)索工況時，為達到設(shè)計索力，而對吊桿內(nèi)力進行了釋放，導致拱肋豎向荷載較少，引起下弦管拉應(yīng)力降低，如圖9(d)所示，由此可以得到下弦管受拉程度與拱肋豎向荷載大小呈正相關(guān)。

4.2 實測值與理論值對比分析

將現(xiàn)場測值列于表2，分析實測數(shù)據(jù)可知，拱座整體受壓，最大拉應(yīng)力為2-d測點，最大壓應(yīng)力為2-a測點；由第二組實測數(shù)據(jù)圖10(b)可知，在工況Ⅰ時2-a受拉、2-d受壓，隨著施工工況的進行，逐漸轉(zhuǎn)變成2-a受壓、2-d受拉；通過分析第一組圖10(a)和第三組圖10(b)實測數(shù)據(jù)可知，第三組實測位置即上下弦管端部為應(yīng)力最小位置；在工況Ⅲ時，拱座整體拉壓應(yīng)力發(fā)生較大變化。應(yīng)力變化規(guī)律與有限元模擬結(jié)果一致，驗證了有限元模擬結(jié)果的可靠性。

表2 現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)值 單位：MPa

5 結(jié)語

以某大跨度連續(xù)梁-鋼管混凝土拱組合橋為研究對象，通過Midas/civil和Ansys聯(lián)合仿真，并結(jié)合現(xiàn)場實測對拱腳在各施工階段的受力特性進行分析，結(jié)果表明：

(1)在施工期間，拱腳基本處于受壓狀態(tài)，整體受力合理。

(2)在施工過程中，拱座最不利受力位置為拱肋與拱座交匯處，建議在此處加強構(gòu)造措施和優(yōu)化配筋，確保結(jié)構(gòu)受力的合理性。

(3)拱肋下弦管拉應(yīng)力與拱肋豎向荷載大小呈正相關(guān)，為防止拱座在施工時由于下弦管拉應(yīng)力過大導致開裂，在鋪設(shè)橋面系和張拉吊桿時，應(yīng)注意控制橋面系荷載值和吊桿張拉力的大小。

(4)實測值與有限元模擬結(jié)果相接近，表明有限元模擬方法可靠，可用于驗算設(shè)計。