（重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 400074）

大跨無推力剛性系桿剛性組合拱橋分析建模方法及受力性能分析

唐旖旎

（重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院 400074）

為探索大跨無推力剛性系桿剛性組合拱橋的受力特性，本文以某鋼箱—混凝土組合系桿拱橋為研究對象，采用MIDAS/CIVIL有限元軟件對該橋進(jìn)行建模和計算，分析該橋的結(jié)構(gòu)特性及其受力性能。在建模時考慮單元選取、邊界條件、構(gòu)件連接方式、荷載處理方式。分析得出該橋的穩(wěn)定性及內(nèi)力，為這一類拱橋的建模方式提供理論依據(jù)。

大跨；無推力拱橋；剛性系桿剛性拱；有限元建模方法

引言：三跨式鋼箱拱橋是一種極具有特色的橋型, 將剛構(gòu)與拱兩種基本結(jié)構(gòu)形式組合起來，組合體系拱橋可劃分為有推力拱和無推力拱兩種類型。其中無推力的拱式組合體系受力特點是：主梁恒載及活載由吊桿傳遞給拱圈, 再由拱圈傳遞給橋墩,再由橋墩傳遞到基礎(chǔ)，減小了主梁承受的彎矩，減小了主梁截面高度; 水平方向拱圈受力后將水平力傳給橋墩，邊拱的水平力傳給主梁。該組合體系拱橋把主要承受壓力的拱肋和主要承受彎矩的主縱梁結(jié)合起來共同承受橋面荷載和水平推力，充分發(fā)揮被組合的簡單體系的結(jié)構(gòu)特性及組合作用，具有拱橋的較大跨越能力以及簡支梁橋?qū)Φ鼗m應(yīng)能力強的兩大特點，保證較大的橋下凈空且造型美觀，是一種較優(yōu)越的橋型，廣泛應(yīng)用于城市橋梁的建設(shè)中。

1 橋梁工程概況及結(jié)構(gòu)特點

1.1橋梁工程概況

本文依據(jù)的橋型為80m+150m+80m三跨連續(xù)的下承式鋼箱拱橋，橋?qū)?60m，拱軸線采用懸鏈線，矢跨比：主跨 1/4.29、邊跨 1/3.64。橫橋向設(shè)置 3 片豎向垂直拱肋，橫向兩片拱肋的間距均為24m。主拱肋和副拱肋均采用等截面鋼箱，吊桿采用縱向雙吊桿。主拱拱肋設(shè)置風(fēng)撐 5×2 共10道，各橫撐均為鋼箱截面，副拱拱肋不設(shè)風(fēng)撐。主縱梁截面形式為鋼箱，次縱梁截面形式為工字鋼，支撐橫梁截面為變截面鋼箱，普通橫梁截面為變截面工字鋼。主縱梁、次縱梁、支點橫梁及普通橫梁形成格子梁截面，格子梁上再設(shè)置鋼板—混凝土組合橋面板。

1.2橋梁的結(jié)構(gòu)特點

該橋的主縱梁和拱肋均為箱形截面，其截面的數(shù)據(jù)由表格1可知，構(gòu)件的長細(xì)比可由公式：λ=μl/i得出。從表格數(shù)據(jù)可以看出，主縱梁和拱肋的截面慣性矩都比較大，長細(xì)比滿足允許長細(xì)比且數(shù)值較小，為一個剛性系桿剛性拱橋，在承受拉力的同時亦能承受壓力。

表1 桿件長細(xì)比單位：m

對于大跨徑橋梁，系桿拉力的增量會產(chǎn)生很大的變形，而無推力拱橋的設(shè)計使拱、系桿和墩結(jié)合在一起共同受力，根據(jù)位移變形協(xié)調(diào)條件，拱的水平推力的增量主要由橋墩和拱自身承受，系桿的作用是對拱施加預(yù)應(yīng)力以抵消拱的大部分水平推力，無推力拱降低了對下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的要求，是拱橋的應(yīng)用范圍從山區(qū)擴(kuò)大到了平原和城市。

2 空間有限元建模方法

2.1單元選取

通過MIDAS/CIVIL軟件建立一個三跨的下承式鋼箱—混凝土組合拱橋，該橋上部結(jié)構(gòu)由橋面系、拱肋、吊桿及風(fēng)撐 4 部分組成，橫橋向設(shè) 3 片豎向垂直拱肋，橋面系包括3道主縱梁、4道次縱梁、支點橫梁、普通橫梁及組合橋面板。拱肋、主縱梁、次縱梁、支點橫梁、普通橫梁、吊桿及橫撐均采用梁單元，橋面板采用板單元。

2.2邊界條件

對于無推力拱橋，拱肋水平荷載直接傳遞給系桿，系桿能約束水平推力，剛性系桿剛性拱無推力拱橋的支座采用橡膠支座 , 可以模擬成一般鉸支座約束，具體的邊界條件布置如圖2。

圖2 支座布置圖

2.3聯(lián)結(jié)方式

為了使結(jié)構(gòu)共同受力，縱梁與橫梁之間在相交處共節(jié)點，吊桿兩端分別與拱肋和主縱梁相連并共節(jié)點，拱肋與主縱梁相連在交點處共節(jié)點，橋面板與下部的縱橫梁之前使用彈性連接里的剛性連接。

2.4荷載處理方式

為了減少模型量及計算量，對模型做如下簡化：（1）將拱肋、縱橫梁、吊桿及風(fēng)撐上的橫隔板、拼接板及栓釘?shù)闹亓康刃榫己奢d或集中荷載施加在相應(yīng)的構(gòu)件位置上；（2）不計橋面板的自重，將整個橋面板的重量等效為均布荷載施加在橫梁上；（3）因為橋面鋪裝產(chǎn)生的荷載由縱橫梁承受，而不是由橋面板承受，所以將橋面鋪裝的重量都等效為壓力荷載作用在橋面板上，且不考慮其剛度。

3 計算模型的建立和結(jié)果分析

3.1主縱梁受力

各荷載工況包絡(luò)圖下：主縱梁最大負(fù)應(yīng)力出現(xiàn)在拱腳支座處為-25.7MPa，最大正應(yīng)力出現(xiàn)在支座邊上為30.6MPa；全橋最大正彎矩出現(xiàn)在主縱梁端為2249.2 KN·m，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在主拱拱腳處的支座邊為-4604 KN·m。

3.2主拱圈受力

在各荷載工況包絡(luò)圖下：主拱圈最大負(fù)應(yīng)力出現(xiàn)在主拱跨中為-189.7MPa，最大正應(yīng)力出現(xiàn)在主拱拱腳處的主縱梁上為182.3MPa；全橋最大正彎矩出現(xiàn)在主拱跨中為6603.7 KN·m，最大負(fù)彎矩出現(xiàn)在主拱拱腳處的主縱梁上為-29136.3 KN·m。全橋最大變形出現(xiàn)在拱圈上近1/4點處，其次出現(xiàn)在主跨跨中，最大位移為284.037mm。

4 結(jié)論

本文以某鋼箱—混凝土組合系桿拱橋為背景，介紹了其為無推力及剛性系桿剛性拱橋的這兩個特點，并闡述了該橋的建模方式，運用MIDAS/CIVIL有限元軟件進(jìn)行了受力分析，對該橋的最不利荷載組合工況做了受力分析，從數(shù)據(jù)可以看出其應(yīng)力、彎矩及變形都在合理范圍內(nèi)，為以后類似的橋梁建設(shè)提供可靠的依據(jù)。

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