張冠楠

1 工程背景

在建的某鋼疊合梁組合式系桿拱橋,全長(zhǎng)300 m,跨徑布置為(60+180+60)m。

中跨為下承式鋼管混凝土拱橋,拱肋橫向由4片拱肋組成,分主、副拱肋,二者通過(guò)橫向拉桿連接。拱軸采用拋物線,主拱計(jì)算跨度L=180 m,計(jì)算矢高f=40 m,矢跨比1/4.5,副拱計(jì)算跨度L=180 m,計(jì)算矢高f=48 m,矢跨比1/3.75。

主拱與主梁通過(guò)主吊桿連接,主吊桿縱向間距6.0 m,全橋共設(shè)25對(duì)。為追求景觀效果,主、副拱肋均采用外傾方式布置,主拱向外傾斜16°,副拱向外傾斜 26.82°,同時(shí),將主拱范圍內(nèi)人行道向拱外平移6.0 m,并抬高1.94 m。人行道與主梁通過(guò)懸臂挑梁連接,設(shè)置副拱與挑梁間的副吊桿,以承擔(dān)部分人行道挑臂荷載。為平衡主、副拱肋外傾引起的水平分力,設(shè)置斜拉桿將主拱與布置在中央分隔帶處的耳叉連接起來(lái)。副吊桿與斜拉桿對(duì)應(yīng)設(shè)置,縱向間距12.0 m,全橋共11對(duì)副吊桿(斜拉桿),總體布置圖見(jiàn)圖1。

主拱和副拱分別是機(jī)動(dòng)車(chē)道和人行道的關(guān)鍵受力構(gòu)件,而二者在橋面上交匯于拱座,拱座就成為全橋受力的一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。由于主拱和副拱的傾角不同,同時(shí)為了保證拱座自身的外觀效果,因此拱座的造型也較為獨(dú)特。為了保證全橋結(jié)構(gòu)的安全性,需要對(duì)拱座的受力情況進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的分析和研究。

在初步擬定構(gòu)造時(shí),我們可以采用有限元軟件來(lái)對(duì)異型拱座進(jìn)行仿真分析,現(xiàn)在市場(chǎng)上通用的有限元軟件具有豐富的單元,比較完備的約束模擬系統(tǒng),以及多樣化的荷載加載方式,能夠模擬很多特殊構(gòu)造以及部件,這樣可以有效節(jié)約設(shè)計(jì)成本,縮短設(shè)計(jì)周期。

2 計(jì)算和分析

拱座結(jié)構(gòu)為鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu),外殼為鋼板,內(nèi)部填充混凝土,主拱和副拱插入混凝土當(dāng)中,為了保證鋼和混凝土能夠有足夠連接,保證力的傳遞和擴(kuò)散,在拱肋外表面和拱座外包鋼板內(nèi)表面都分別設(shè)置了剪力釘。

本文采用大型通用有限元程序建立拱座的全真實(shí)體模型,模型還包括拱座與主梁的連接。其中混凝土用實(shí)體單元模擬,鋼管和外包鋼板采用殼單元模擬。

有限元模型的位移邊界條件:在拱座底部主梁支座位置約束3個(gè)方向的位移。

由于拱座的外包鋼板和拱肋鋼管伸入拱座部分均布置有剪力釘,可以認(rèn)為鋼板或鋼管與混凝土不發(fā)生相對(duì)位移,故混凝土和鋼的接觸面相應(yīng)位置的節(jié)點(diǎn)位移自由度完全耦合。

材料特性:混凝土:彈性模量3.45×104N/mm2,泊松比0.166 7;鋼材:彈性模量 2.1×105N/mm2,泊松比 0.3。

拱座有限元模型見(jiàn)圖2,其中有限元模型中共用187 179個(gè)單元和24 213個(gè)節(jié)點(diǎn)。

荷載工況:恒載+活載+附加力最不利組合工況。

加載方法:分別在主副拱軸線方向建立一個(gè)較短的剛臂,將其梁?jiǎn)卧还?jié)點(diǎn)與拱肋實(shí)體單元的節(jié)點(diǎn)耦合,內(nèi)力施加在梁?jiǎn)卧硪还?jié)點(diǎn)。

整個(gè)模型的主拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,除了由于靠近外力加載位置以及耦合節(jié)點(diǎn)的影響使頂部拉力較大外,整個(gè)拱座的主拉應(yīng)力不是很大。其中拱座在與主跨主梁相連處拉應(yīng)力要比其他部位大,該部位主拉應(yīng)力接近5 MPa,其他部位的主拉應(yīng)力較小。

從主壓應(yīng)力的角度看整個(gè)拱座的最大主壓應(yīng)力約為18 MPa,分布于與拱座平面接近的表面區(qū)域,在拱座的截面變化處也存在9 MPa左右的壓應(yīng)力(見(jiàn)圖3)。

從外表面的軸向應(yīng)力分布來(lái)看拱座的總體是受壓的,總體壓應(yīng)力在7 MPa左右,局部的壓應(yīng)力達(dá)到18 MPa左右。

從模型內(nèi)部來(lái)看在從拱座頂面向下2 m后,混凝土全部受壓,從截面上的內(nèi)力分布來(lái)看,拱座壓應(yīng)力沿著“下緣—上緣”“靠近內(nèi)橋面—遠(yuǎn)離內(nèi)橋面一側(cè)”逐漸減小,表現(xiàn)出明顯的壓彎的特點(diǎn)。最大壓應(yīng)力約15 MPa,總體壓應(yīng)力在9 MPa左右。

在3.5 m以后由于截面的變化,截面壓應(yīng)力的分布趨于均勻(限于文章篇幅部分圖片未示)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上面的分析,我們可以看出現(xiàn)有的構(gòu)造可以使主拱和副拱的內(nèi)力在拱座截面上有較為均勻的擴(kuò)散,沒(méi)有出現(xiàn)明顯的應(yīng)力超標(biāo)和突變點(diǎn),部分應(yīng)力值偏高區(qū)域都非常的小,完全可以通過(guò)后期的措施加以克服,拱座整體構(gòu)造基本合理。

拱座是拱橋體系受力的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn),在橋梁(特別是城市橋梁)的景觀效果日益提高的今天,異型拱座的出現(xiàn)將成為一個(gè)不可避免的現(xiàn)象,本文采用的有限元仿真分析的辦法在擬定拱座的構(gòu)造時(shí)具有高效、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn),可以為設(shè)計(jì)人員節(jié)省大量的時(shí)間和精力。

[1]李 權(quán).ANSYS在土木工程中的應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2005:6.

[2]郝文化.ANSYS土木工程應(yīng)用實(shí)例[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2005:1.

[3]吳永躍,丁文勝.ANSYS在預(yù)應(yīng)力箱梁橋結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用[J].山西建筑,2009,35(5):285-287.