蝴蝶型鋼拱橋主副拱肋交匯區(qū)域局部應力分析

陸 輝，覃梟雄

(廣西南天高速公路有限公司，廣西 南寧 530022)

0 引言

蝴蝶型拱橋是將豎直拱肋往橋外外傾而形成的一種新型異型拱橋，近年來，由于其造型美觀，在實際橋梁工程中得到了大量應用[1-3]。通常，蝴蝶型拱橋采用中下承式無推力拱結構體系，拱肋主要采用鋼箱截面形式。當跨徑較大時，為保證結構的橫向穩(wěn)定，一般增設副拱，通過連桿與主拱相連。但由于增設副拱，使得主、副拱肋交匯，其交界處的應力分布十分復雜，無法通過桿系結構模型得到其實際應力分布狀況，需借助實體或板殼模型有限元分析得到。另外，研究還表明，鋼箱內的加勁肋構造會產生剪力滯效應，也會對應力分布產生影響[4-6]。本文以某中承式蝴蝶型拱橋為工程背景，建立主、副拱交界處的板殼有限元模型，對其在施工過程中的局部應力分布規(guī)律進行分析，并考察加勁肋構造的影響，以期為類似結構的設計分析提供借鑒參考。

1 工程概況

某大橋主橋為中承式鋼箱拱肋混合梁系桿拱橋，主拱肋外傾斜12°成蝴蝶狀，跨徑為168 m，矢高為48 m，矢跨比為1/3.5；副拱肋軸線為空間曲線，跨徑為130 m，矢高為20.742 m，矢跨比為1/6.268。主副拱肋之間的橫向連桿采用圓鋼管，橋型總體布置如圖1所示。其主、副拱均采用鋼箱截面，主拱肋截面尺寸為2.2 m×3.4 m，鋼板壁厚為20～40 mm；副拱肋截面尺寸為1.5 m×1.5 m，鋼板壁厚為16～20 mm，如圖2所示。副拱肋截面自跨中向拱腳逐漸縮減，直至與主拱完全交匯。

2 有限元模型

利用ABAQUS程序建立有限元模型，鋼板采用一階4節(jié)點減縮單元S4R，不考慮焊縫的影響，如圖3所示。有限元模型遠離相貫線處的部分，采用幾何結構化網(wǎng)格劃分，靠近相貫線處部分，采用自由網(wǎng)格劃分。有限元的模型邊界條件為底部固結，上部主拱、副拱端施加由整體桿系結構計算得到的荷載，如表1所示。

圖1 橋型總體布置圖(cm)

(a)主拱肋 (b)副拱肋圖2 拱肋截面圖(mm)

表1 主副拱肋施加荷載計算結果表

圖3 有限元模型云圖

3 計算結果及分析

3.1 主拱截面橫向寬度方向應力

為分析主拱縱向加勁肋的剪力滯效應影響，選取如圖4所示A-A～D-D四個截面沿橫向寬度方向的應力分布圖。由圖4可以看出，雖然在加勁肋與頂板連接處出現(xiàn)折線狀突變，但量值非常小，表明由縱向加勁肋產生的剪力滯效應影響很?。恢鞴袄咄鈧葢σ黠@大于內側應力，表明主要還是受面內彎矩的影響。

圖4 主拱肋截面應力分布曲線圖

3.2 主副拱肋交匯區(qū)域的局部應力

為分析主副拱肋交匯區(qū)域在整個施工過程中的應力分布情況，選取拱肋懸拼、拱肋合龍、中跨系桿初張拉、安裝吊桿及橋面縱橫梁，通長系桿初張拉、中跨系桿二次張拉、鋪橋面板、通長系桿二次張拉、橋面鋪裝、通長系桿三次張拉、成橋3 650 d等11個工況進行計算，并截取如圖5所示A-A～D-D四個截面的應力變化計算結果。

圖5 拱肋交界處截面應力計算結果云圖

如表2所示為上述11個工況的計算結果。由此可以看出，從拱肋懸拼至中跨系桿初張拉，由于未安裝吊桿及橋面橫縱梁，總體上荷載水平較小，最大應力為75 MPa；從安裝吊桿及橋面縱橫梁至成橋3 650 d，應力呈增長趨勢，中跨系桿二次張拉后，主拱肋應力會出現(xiàn)減小趨勢，無論是主副拱肋的上限值還是下限值，均小于容許應力值。

表2 拱肋交界處截面應力計算結果表

3.3 主副拱肋交界相貫線的局部應力

為探討施工過程中相貫線的應力分布情況，同樣選取上述11個工況進行計算分析，結果如后頁圖6所示。從應力分布曲線圖中可以看出，在主拱肋內側及副拱肋頂部交界線處，距離起始3 m及6 m處出現(xiàn)應力峰值，其中，距離主副拱肋交界線起始端3 m處為吊桿鋼板與主拱肋的交界處，距離主副拱肋交界線起始端6 m處為副拱肋橫隔板與主副拱肋交界處。由此可見，外部構造對于應力集中影響明顯。

4 結語

本文通過建立某蝴蝶型鋼拱橋主副拱交匯區(qū)域的有限元模型，對其在施工過程的應力分布特點進行了分析，結果如下:

(a)主拱肋內側交界線

(b)副拱肋頂部交界線圖6 拱肋交界處應力分布曲線圖

(1)通過對交界處主拱肋的應力分析，可以看出，主拱肋應力主要受彎矩影響，縱向加勁肋的剪力滯效應影響不大。

(2)從拱肋懸拼至中跨系桿初張拉，總體上荷載水平較小，從安裝吊桿及橋面縱橫梁至成橋3 650 d，應力呈增長趨勢。中跨系桿二次張拉后，主拱肋應力出現(xiàn)減小趨勢。

(3)主、副拱肋相貫線的應力分布表明，外部構造對應力集中的影響明顯。工程實際中，應考慮吊點、主副拱交匯區(qū)域的設置，以減小其對應力集中的影響。