李　宇

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處，天津　300142)

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上承式鋼筋混凝土拱橋構(gòu)造研究

李宇

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁處，天津300142)

摘要：為研究上承式鋼筋混凝土拱橋構(gòu)造對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，利用有限元方法分析某無砟軌道上承式鋼筋混凝土拱橋拱肋厚度及腹拱跨度對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響。通過計(jì)算分析得出采用增加拱肋厚度、減小腹拱跨度的方式，能有效改善局部受力，降低腹拱墩范圍的應(yīng)力水平使結(jié)構(gòu)受力更為合理的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：鐵路橋；鋼筋混凝土;拱橋；應(yīng)力集中；彈塑性分析；接觸單元

1概述

無砟軌道上承式鋼筋混凝土拱橋計(jì)算跨度為72 m，矢高14.4 m，矢跨比1/4.8，拱軸線采用二次拋物線。拱上建筑采用空腹式箱形結(jié)構(gòu)，腹拱采用二次拋物線拱圈，方案見圖1。通過建立精細(xì)化有限元模型，比較了不同拱肋厚度及不同腹拱跨度對(duì)拱橋的受力影響[1]并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。以解決上承式鋼筋混凝土拱橋腹拱處受力復(fù)雜，拉應(yīng)力水平高的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

2分析模型介紹

為解決拱橋?qū)嶓w模型移動(dòng)荷載施加困難，計(jì)算代價(jià)大的問題[3]。首先建立Midas板-梁簡(jiǎn)化模型(圖2)施加列車荷載，并使用 “移動(dòng)荷載追蹤器”找到分析處最不利的加載位置[2]。再依據(jù)記錄的動(dòng)荷載最不利位置，按照靜力方式在實(shí)體模型相應(yīng)位置加載。

上承式拱橋腹拱墩處于高應(yīng)力水平，局部混凝土可能進(jìn)入塑性。利用Ansys模型中的Solid65單元支持通用的屈服準(zhǔn)則-Von Mises屈服準(zhǔn)則[3]和同心強(qiáng)化與隨動(dòng)強(qiáng)化準(zhǔn)則。通過自定義多線性應(yīng)力-應(yīng)變曲線，運(yùn)用多線性隨動(dòng)強(qiáng)化(MKIN)和多線性等向強(qiáng)化(MISO)[5]模擬強(qiáng)化效應(yīng)，可對(duì)腹拱墩區(qū)域進(jìn)行彈塑性分析。Ansys有限元模型采用Solid65單元[4]模擬，見圖3，同時(shí)為避免橋面板處單元?jiǎng)澐謺r(shí)出現(xiàn)由于厚度過小引起的實(shí)體單元畸形，橋面板采用Shell63單元模擬。這兩種不同單元的接觸狀態(tài)采用由“目標(biāo)面”和“接觸面”組成的面面接觸方式模擬。本模型中“目標(biāo)面”為實(shí)體單元表面，采用Targel170單元模擬；“接觸面”為殼單元，采用Contal175單元模擬。

圖3　鋼筋混凝土拱橋雙腹拱方案ANSYS模型

對(duì)于實(shí)體模型混凝土結(jié)果的彈塑性分析，應(yīng)采用三軸強(qiáng)度準(zhǔn)[6]判斷。但是考慮到規(guī)范[7]采用混凝土單軸抗壓、抗拉強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)平均值(σb、σtp-1) 進(jìn)行判斷，因此，也采用單軸強(qiáng)度作為判斷準(zhǔn)則。

3拱肋厚度對(duì)腹拱應(yīng)力的影響

拱肋是拱橋的主要承重構(gòu)件，本橋拱肋采用構(gòu)造簡(jiǎn)單、施工方便[7]的矩形截面。初步擬定雙腹拱方案腹拱跨徑為2×11 m，分別按照拱肋厚度1.2、1.4、1.6、2.0 m，計(jì)算拱肋厚度變化對(duì)腹拱局部應(yīng)力的影響。應(yīng)力分析結(jié)果位置見圖4(應(yīng)力分析結(jié)果拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)) 。

圖4　應(yīng)力分析位置

分析圖5～圖7可知：在荷載作用下拱肋、腹拱發(fā)生變形，腹拱拱肋底板及腹拱墩處產(chǎn)生拉應(yīng)力。腹拱拱肋底板處拉應(yīng)力隨著拱肋厚度的增加不斷減小，在拱肋厚度為2 m時(shí)拉應(yīng)力下降較快；但腹拱墩應(yīng)力水平對(duì)拱肋厚度變化不敏感，為減小腹拱墩拉應(yīng)力增加拱肋工程數(shù)量過大，經(jīng)濟(jì)性不佳，應(yīng)同時(shí)研究其他措施降低腹拱應(yīng)力水平。

圖5　腹拱底面E處主應(yīng)力(拉正、壓負(fù))

圖6　腹拱墩上部C處主應(yīng)力(拉正、壓負(fù))

圖7　腹拱墩底面D處拉應(yīng)力(拉正、壓負(fù))

4腹拱跨度對(duì)腹拱應(yīng)力的影響

腹拱墩與拱肋采用固結(jié)方式連接。腹拱和拱肋作為一個(gè)整體共同承載，其整體作用大小和腹拱的布置形式直接相關(guān)，優(yōu)化布局可改善結(jié)構(gòu)受力狀況，提高結(jié)構(gòu)承載能力[9]。腹拱跨徑較合理范圍為主拱圈跨徑的1/8～1/15[10-12]，對(duì)應(yīng)于本橋腹拱跨徑應(yīng)為4.8 ～9.0 m，原雙腹拱方案腹拱跨徑為2×11 m，跨徑越大腹拱柱處集中力越大，對(duì)自身及主拱肋受力均不利；而腹拱跨徑過小，對(duì)減輕拱上結(jié)構(gòu)質(zhì)量不利，構(gòu)造也更復(fù)雜，因此采用三腹拱方案跨徑為3×7 m，建立實(shí)體模型與雙腹拱方案進(jìn)行對(duì)比分析。

由圖8～圖13可知，腹拱及拱肋A～E處主應(yīng)力均隨著采用三腹拱方案而減小，經(jīng)過分析，主要原因是三腹拱直接減小了鋼筋混凝土腹拱的跨度，而跨度是影響跨越結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平的最直接因素，因此本方案對(duì)減小結(jié)構(gòu)應(yīng)力效果明顯。同時(shí)由于跨度減小，相當(dāng)于腹拱拱腳承擔(dān)的上建自重減輕，因此拱腳F處應(yīng)力未因3×7 m方案增加拱上建筑而增大，對(duì)于B、D處局部應(yīng)力結(jié)果較大，分析原因?yàn)閼?yīng)力集中，采取腹拱拱腳處設(shè)置加臺(tái)予以解決。

圖8　A處主應(yīng)力(拉正、壓負(fù))

圖9　B處主應(yīng)力(拉正、壓負(fù))

圖10　C處主應(yīng)力(拉正、壓負(fù))

圖11　D處主應(yīng)力(拉正、壓負(fù))

圖12　E處主應(yīng)力(拉正、壓負(fù))

圖13　F處主應(yīng)力(拉正、壓負(fù))

綜合對(duì)拱肋厚度、腹拱跨度的比選，最終結(jié)構(gòu)選用了較薄拱肋厚度、減小腹拱跨度的實(shí)施方案。

5結(jié)論

(1)上承式鋼筋混凝土拱橋結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力隨著拱肋厚度的增加趨于均勻，腹拱底板拉應(yīng)力呈減小的趨勢(shì)。但腹拱墩應(yīng)力對(duì)拱肋厚度變化不敏感，而且增加拱肋厚度也使結(jié)構(gòu)自重增加，工程代價(jià)較大。

(2)按受力及拱上建筑質(zhì)量綜合考慮，優(yōu)化腹拱跨度可明顯降低腹拱墩處應(yīng)力，提高結(jié)構(gòu)的安全性及耐久性。

(3)上承式鋼筋混凝土拱橋腹拱跨度超過主跨跨度的1/8腹拱處混凝土應(yīng)力明顯增大，普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)通過配筋難以解決，建議腹拱跨度采用主跨跨度的1/8～1/15對(duì)結(jié)構(gòu)受力較為適宜。

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Structural Study on Reinforced Concrete Deck Arch Bridge

LI Yu

(Department of Bridge Engineering Design and Research， The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin 300142， China)

Abstract：Using the data from a deck arch bridge， this article conducts an analysis of the relationship between the thickness of arch rib and the span of spandrel arch. The results show that increasing the thickness of the arch rib and decreasing the span of the spandrel arch can effectively improve the local load carrying capacity and lower the stress level around the spandrel arch pier．

Key words：Railway bridge; Reinforced concrete; Arch bridge; Stress concentration; Elasto-plastic analysis; Contact element

中圖分類號(hào)：U451

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.04.010

文章編號(hào)：1004-2954(2016)04-0040-03

作者簡(jiǎn)介：李宇(1985—)，男，工程師，2010年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)橋梁工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：267311506@qq.com。

收稿日期：2015-05-06； 修回日期：2015-12-08