陸 輝,覃梟雄
(廣西南天高速公路有限公司,廣西 南寧 530022)
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。
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。
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,采用幾何結構化網格劃分,靠近相貫線處部分,采用自由網格劃分。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
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
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
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。
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。