陳斌

摘 要：建立了預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)拱橋梁拱結(jié)合部位的三維有限元空間模型，模擬了該部位在最不利荷載工況下的受力情況。計(jì)算結(jié)果表明，橫梁、拱腳部位受力較均勻且以受壓為主，總體受力較合理且滿足設(shè)計(jì)要求，該計(jì)算結(jié)果為工程設(shè)計(jì)和施工提供了合理的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：連續(xù)剛構(gòu)拱橋；梁拱結(jié)合部位；局部受力；有限元

中圖分類號(hào)：U441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

將預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋與鋼管混凝土拱肋組合，形成造型美觀、受力合理的連續(xù)剛構(gòu)拱橋，繼承了連續(xù)剛構(gòu)橋和吊桿拱橋跨越能力較大、經(jīng)濟(jì)適用性好等優(yōu)點(diǎn)。但該橋型為一種超靜定結(jié)構(gòu)，尤其是多方向荷載匯集的梁拱結(jié)合部位，構(gòu)造設(shè)計(jì)、受力狀態(tài)極為復(fù)雜，給橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)一定難度。而采用傳統(tǒng)梁?jiǎn)卧M的計(jì)算結(jié)果不能真實(shí)反映該區(qū)域的受力情況。本文運(yùn)用橋梁結(jié)構(gòu)分析軟件Midas/Civil對(duì)連續(xù)剛構(gòu)拱橋進(jìn)行全橋施工過(guò)程模擬，后用Midas/FEA對(duì)該橋拱梁結(jié)合區(qū)域建立有限元模型，再以Midas/Civil所建全橋模型的計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，將相應(yīng)邊界的彎矩、剪力及軸力施加于Midas/FEA實(shí)體模型中，計(jì)算并分析得出該部位應(yīng)力分布的一般規(guī)律，對(duì)該橋拱腳結(jié)構(gòu)承載與傳力安全性進(jìn)行研究。

1 工程概況

重慶市合川區(qū)涪江四橋主橋特殊的地理位置決定了該橋特殊的標(biāo)志性和景觀需求，經(jīng)綜合比選后采用連續(xù)剛構(gòu)拱組合體系，橋跨布置為：（84+160+84）m，如圖1所示；上部結(jié)構(gòu)以連續(xù)剛構(gòu)為主體，并在主跨配以單拱肋進(jìn)行加勁。主梁結(jié)構(gòu)采用雙箱雙室箱梁、直腹板，施工時(shí)兩箱分修，后現(xiàn)澆濕接段形成整體。單片箱梁寬15.75m，支座處梁高8.5m，跨中梁高3.3m，材料采用C55砼；拱肋采用圓曲線線型，矢跨比1/5，跨徑160m。主拱為單圓管鋼管混凝土，采用外徑2000mm、壁厚28mm的Q345鋼管，并設(shè)置20cm高、16mm厚縱向加勁肋；內(nèi)灌C50砼。副拱設(shè)計(jì)為外徑500mm、壁厚16mm的空鋼管，主拱及副拱間豎向連接桿件采用頂寬400mm、底寬800mm、順橋向?qū)?5cm、壁厚20mm的鋼箱。兩副拱采用K撐相連，橫向桿件采用150mm×150mm、壁厚10mm的鋼箱，斜向采用厚12mm的三角鋼板相連。該橋采用“先梁后拱”的施工方法，主梁采用懸臂灌注法施工，墩頂梁段在各墩頂灌注，其余各梁段采用活動(dòng)掛籃懸臂灌注。

2 計(jì)算方法及有限元模型

局部模型受力以及約束狀態(tài)受到全橋模型結(jié)果的影響，在進(jìn)行局部分析時(shí)，必須先得到全橋整體分析所得的桿件內(nèi)力，再將各桿件內(nèi)力等效地施加在局部模型的截?cái)嗵?，在局部模型上再加上相?yīng)的位移約束條件，計(jì)算結(jié)果可反映局部受力的應(yīng)力分布情況。為了準(zhǔn)確分析拱腳處的受力狀態(tài)，根據(jù)圣維南原理，需將局部模型選取得足夠大，以便在邊界處用等效的荷載代替實(shí)際荷載后不至于影響到所關(guān)注區(qū)域的受力狀態(tài)。

為此，局部分析截取對(duì)象截取點(diǎn)分別為0號(hào)塊左右各15m范圍，拱肋距離拱座中心15m范圍，以及橋墩自上向下10m范圍。建立的局部分析實(shí)體模型如圖2所示。

主梁、拱座、拱內(nèi)混凝土及橋墩實(shí)體單元模擬，主拱外包鋼管采用殼單元模擬，且不考慮混凝土與鋼管間相對(duì)滑動(dòng)。為便于計(jì)算，邊界條件設(shè)置如下：（1）主梁及主拱梁端采用“力邊界條件”：提取整體分析的計(jì)算結(jié)果，把對(duì)應(yīng)位置梁?jiǎn)卧獌?nèi)力的計(jì)算結(jié)果作為外力作用在該點(diǎn)。外力作用點(diǎn)通過(guò)與實(shí)際截面等效剛度的梁?jiǎn)卧噙B。其中施工過(guò)程中內(nèi)力去除鋼束一次矩的影響，鋼束考慮預(yù)應(yīng)力損失后重新張拉，張拉力為整體模型計(jì)算結(jié)果中該截面處鋼束的應(yīng)力。（2）主墩采用“位移邊界條件”：建立與截取的主墩截面剛性連接的梁?jiǎn)卧?，其剛度與主墩相等且高度與實(shí)際主墩高度相同，并在墩底固結(jié)。

本局部分析主要關(guān)注橫梁下緣及外側(cè)、拱座與主拱結(jié)合處受力情況。因此，本文選取該部位受力最不利的兩個(gè)階段進(jìn)行分析，即橋梁施工完成時(shí)及徐變十年兩個(gè)階段，并與可變載荷進(jìn)行組合。其組合如下：（1）施工完成：永久恒載+汽車荷載+人群荷載+溫度荷載+制動(dòng)力+風(fēng)荷載；（2）徐變十年：永久恒載（含十年徐變）+汽車荷載+人群荷載+溫度荷載+制動(dòng)力+風(fēng)荷載。其中，可變荷載分別按上述兩部位受力最不利情況進(jìn)行布載，各荷載工況分項(xiàng)系數(shù)取1.0，即按彈性組合計(jì)算。

3 計(jì)算結(jié)果

綜合上述兩組荷載組合下的計(jì)算結(jié)果可得出梁拱結(jié)合部位的受力情況：（1）橫梁受力情況：橫向正截面大部分區(qū)域處于受壓狀態(tài)，箱梁內(nèi)局部區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力，拉應(yīng)力基本控制在0.40MPa以內(nèi)（超過(guò)99.9%的區(qū)域），個(gè)別點(diǎn)（人孔附近）正應(yīng)力為0.56MPa，如圖3所示。橫梁中絕大部分區(qū)域的主拉應(yīng)力均控制在0.9MPa以內(nèi)（超過(guò)99.8%），人孔周邊局部范圍主個(gè)別點(diǎn)為2.0MPa。橫梁絕大部分區(qū)域主壓應(yīng)力均控制在-16.9MPa以內(nèi)（超過(guò)99.8%的區(qū)域），個(gè)別點(diǎn)（主梁、橫梁、橋墩連接點(diǎn)）主壓應(yīng)力較大，為-17.5MPa，因篇幅限值，圖略；拱座受力情況：絕大部分區(qū)域的主拉應(yīng)力均控制在0.94MPa以內(nèi)（超過(guò)99.5%的區(qū)域），最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱座、主梁頂板交界處，其值為1.79MPa，如圖3所示。絕大部分區(qū)域主壓應(yīng)力控制在-12.0MPa（超過(guò)99.8%的區(qū)域），最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱座與主拱交界區(qū)域上緣，其值為-16.7MPa。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)涪江四橋連續(xù)梁拱橋梁拱結(jié)合部位進(jìn)行空間有限元分析，得出以下結(jié)論：梁拱結(jié)合部位受力復(fù)雜，橫梁處因施加了橫向預(yù)應(yīng)力，全截面以受壓為主，人孔周邊區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力；拱腳部位受力均勻，大部分區(qū)域?yàn)閴簯?yīng)力，僅在拱座與箱梁頂板交界處出現(xiàn)拉應(yīng)力。通過(guò)局部應(yīng)力分析，不僅能對(duì)當(dāng)前橋梁設(shè)計(jì)的構(gòu)造尺寸進(jìn)行校核，還能找出控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵區(qū)域，在設(shè)計(jì)中對(duì)分析結(jié)果中出現(xiàn)拉應(yīng)力的區(qū)域采用局部構(gòu)造措施予以加強(qiáng)。與此同時(shí)，本文中局部分析涉及的計(jì)算方法及結(jié)果可為類似工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

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