龐穎

（1.長沙理工大學(xué)，湖南　長沙　410004；2.中交路橋華南工程有限公司，廣東　中山　528403）

大跨度中承式系桿拱橋雙肢截面拱肋受力研究

龐穎1，2

（1.長沙理工大學(xué)，湖南長沙410004；2.中交路橋華南工程有限公司，廣東中山528403）

為研究雙肢凸形截面拱肋的受力特性，以某（100+450+100）m大跨度中承式鋼箱拱橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用ANSYS13.0建立梁-殼三維混合有限元模型，對(duì)其在恒載、恒載+活載工況下的受力特性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。結(jié)果表明，在恒載和恒載+活載工況下，拱肋凸形截面應(yīng)力水平較低，拱肋內(nèi)側(cè)應(yīng)力比外側(cè)大4.1％～6.8％，凸形截面同時(shí)出現(xiàn)正、負(fù)剪力滯現(xiàn)象；在恒載+活載工況下，大橋的第一屈曲模態(tài)為面外正對(duì)稱屈曲，屈曲系數(shù)為7.25。

橋梁；系桿拱橋；雙肢截面；混合有限元模型；剪力滯；屈曲模態(tài)

近十幾年，隨著社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的逐步發(fā)展，作為大跨度橋梁形式之一的鋼拱橋得到較快發(fā)展。2006年建成的主跨300 m佛山市東平大橋是首座拱梁協(xié)作體系拱橋；2011年建成的主跨450 m明州大橋是中國第一座大跨徑雙肢鋼箱拱橋；2012年建成的主跨3×210 m長沙福元路湘江大橋是中國第一座采用整體楔進(jìn)式頂推施工的鋼箱拱橋；正在建設(shè)的主跨336 m金沙江鋼箱拱橋是世界上最大跨度公鐵兩用鋼箱拱橋。上述有代表性的鋼箱拱橋除明州大橋外均采用單箱鋼箱拱橋。由上、下肢結(jié)合成的雙肢鋼箱拱橋，截面形式新穎，較少有文獻(xiàn)對(duì)該種結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析。為此，該文以某（100+450+ 100）m雙肢鋼箱拱橋?yàn)楣こ瘫尘埃捎肁NSYS13.0建立梁-殼三維混合有限元模型，分析雙肢鋼箱拱肋在不同荷載工況下的受力特性。

1　工程概況

某橋主橋采用雙肢中承式系桿拱橋，其跨徑布置為（100+450+100）m，橋?qū)?5.8 m，矢跨比為1/5。主橋中跨拱肋由上、下兩肢組成，橫向傾斜度1∶5，其中在中跨跨中左右315 m范圍內(nèi)采用凸形截面，其余區(qū)域采用單箱截面。上、下游兩片拱肋通過K撐、一字撐連成整體，橋面系與鋼拱肋通過吊桿或立柱形成聯(lián)系，將橋面系荷載傳遞給鋼拱肋。主橋兩邊跨之間布置張拉系桿，以平衡大橋中跨產(chǎn)生的水平力。主橋總體布置見圖1。

主橋中跨拱肋下肢截面寬3.5 m，高4.8～6.5 m，頂、底、腹板厚25～55 mm；上肢截面寬2.8 m， 高1.8 m，頂、底、腹板厚16～20 mm。主拱拱頂截面見圖2。邊拱下肢截面寬3.5 m，高5.0～6.0 m，頂、底、腹板厚20～35 mm。

圖1　主橋總體布置（單位：m）

圖2　主拱肋拱頂凸形截面（單位：mm）

2　混合有限元模型的建立

為避免在局部模型中施加邊界條件存在的不足，選取主橋跨中30 m區(qū)域拱肋，采用ANSYS建立三維殼單元局部模型，其余構(gòu)件采用桿系單元模擬，桿系單元與殼單元通過剛域形成梁-殼三維混合有限元模型。跨中30 m區(qū)域拱肋采用Shell63單元模擬，其余拱肋及橋面系、立柱、拱肋橫向聯(lián)系等均簡化成空間梁單元Beam44，吊桿、系桿拉索簡化成索單元Link10。數(shù)值仿真模型見圖3。

圖3　混合有限元模型

邊界條件：主墩與拱肋和系梁按共節(jié)點(diǎn)模擬，邊墩與上部結(jié)構(gòu)之間采用Combin14單元模擬，主墩與邊墩的底部按固結(jié)模擬。

計(jì)算荷載：根據(jù)設(shè)計(jì)吊桿張拉力，在吊桿單元施加節(jié)點(diǎn)荷載；結(jié)構(gòu)自重采用慣性力模擬；二期恒載及橋面附屬荷載按均布荷載模擬，為80.03 k N/m；活載按公路-Ⅰ級(jí)、雙向八車道計(jì)算。

3　計(jì)算結(jié)果分析

為分析凸形截面拱肋的受力特性，取拱頂附近3個(gè)典型截面進(jìn)行應(yīng)力分布研究。典型截面位置及編號(hào)見4，其中A-A截面為普通截面，B-B截面為吊點(diǎn)處截面，C-C為橫向加勁截面。

圖4　拱頂截面示意圖

3.1恒載工況下拱肋應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖5～7為恒載工況下A-A、B-B、C-C截面頂、中、底板應(yīng)力橫向分布，圖8為恒載工況下C-C截面橫隔板應(yīng)力云圖。

由圖5～7可得：在恒載工況下，凸形截面頂、中、底板應(yīng)力為80～105 MPa，在橫隔板（B-B）和橫向加勁（C-C）截面處出現(xiàn)正剪力滯現(xiàn)象，而在無橫向加勁（A-A）截面處出現(xiàn)負(fù)剪力滯現(xiàn)象；拱肋內(nèi)側(cè)應(yīng)力比外側(cè)對(duì)應(yīng)位置應(yīng)力大4.1％～6.8％，其原因主要是拱肋在橫向傾斜度為1∶5；B-B、C-C截面處中板與頂板對(duì)應(yīng)位置應(yīng)力相差約9 MPa，A -A截面處中板與頂板對(duì)應(yīng)位置應(yīng)力近似相等。

圖5　恒載工況下A-A截面應(yīng)力分布

圖6　恒載工況下B-B截面應(yīng)力分布

圖7　恒載工況下C-C截面應(yīng)力分布

圖8　恒載工況下C-C截面橫隔板應(yīng)力云圖（單位：kPa）

由圖8可得：在恒載工況下，橫隔板應(yīng)力整體較小，但在截面角點(diǎn)局部區(qū)域應(yīng)力達(dá)70 MPa，表明橫隔板在抵抗截面橫向變形時(shí)產(chǎn)生較強(qiáng)限制作用。

3.2恒載+活載工況下拱肋應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖9～11為恒載+活載工況下A-A、B-B、C -C截面頂、中、底板應(yīng)力橫向分布，圖12為恒載+活載工況下C-C截面橫隔板應(yīng)力云圖。

圖9　恒載+活載工況下A-A截面應(yīng)力分布

圖10　恒載+活載工況下B-B截面應(yīng)力分布

圖11　恒載+活載工況下C-C截面應(yīng)力分布

由圖9～11可得：在恒載+活載工況下，凸形截面頂、中、底板應(yīng)力為75～130 MPa，截面應(yīng)力分布趨勢(shì)與恒載工況相似。

由圖12可得：在恒載+活載工況下，橫隔板應(yīng)力整體較小，但在截面角點(diǎn)局部區(qū)域應(yīng)力達(dá)80 MPa；與恒載工況相比，角點(diǎn)應(yīng)力增大14.2％。

圖12　恒載+活載工況下C-C截面橫隔板應(yīng)力云圖（單位：kPa）

3.3結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

表1為恒載+活載工況下大橋的屈曲模態(tài)及屈曲系數(shù)，圖13、圖14分別為第一、六階屈曲模態(tài)。

表1　大橋屈曲模態(tài)及屈曲系數(shù)

圖13　第一階屈曲模態(tài)

圖14　第六階屈曲模態(tài)

由表1及圖13～14可得：在恒載+活載工況下，大橋的第一階屈曲模態(tài)為面外正對(duì)稱屈曲，屈曲系數(shù)為7.25；前四階均為整體屈曲，第五階才開始出現(xiàn)局部屈曲，表明大橋加勁具有足夠的承載力儲(chǔ)備；大橋發(fā)生整體屈曲工況時(shí)未出現(xiàn)局部屈曲，發(fā)生局部屈曲時(shí)也未出現(xiàn)整體屈曲，表明大橋整體、局部屈曲不相關(guān)。

4　結(jié)論

（1）在恒載、恒載+活載工況下，拱頂凸形截面頂、中、底板應(yīng)力均在130 MPa內(nèi)，應(yīng)力水平較低，恒載應(yīng)力占主導(dǎo)地位。

（2）由于拱肋橫向傾斜1∶5角度，拱肋內(nèi)側(cè)應(yīng)力比外側(cè)對(duì)應(yīng)位置應(yīng)力大4.1％～6.8％。

（3）在恒載、恒載+活載工況下，拱肋內(nèi)出現(xiàn)正剪力滯、負(fù)剪力滯現(xiàn)象，其中橫向加勁截面處出現(xiàn)正剪力滯，而在普通截面處出現(xiàn)負(fù)剪力滯。

（4）在恒載+活載工況下，大橋的第一屈曲模態(tài)為面外正對(duì)稱屈曲，屈曲系數(shù)為7.25，且大橋整體、局部屈曲不相關(guān)。

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2015-12-14