黃相淮，張祖軍

(1.貴州交通科學(xué)研究院股份有限公司，貴州 貴陽 550000；2.長沙理工大學(xué)，湖南 長沙 410000)

1 工程背景

1.1 橋梁構(gòu)造

本文以貴州在建鋼筋混凝土拱橋馬蹄溪大橋為背景，其上部構(gòu)造采用(16+100+16)m現(xiàn)澆鋼筋混凝土拱橋+裝配式空心板；下部構(gòu)造橋臺采用重力式橋臺配擴大基礎(chǔ)；主橋為上承式混凝土箱型拱橋，凈跨徑為100 m，凈矢高16.65 m，拱軸系數(shù)1.756。橋梁全長146延m，全寬為12 m。橋梁孔跨布置：(1×16 m)預(yù)應(yīng)力混凝土空心板+(1×100 m)鋼筋混凝土箱拱+(1×16 m)預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，橋面縱坡為-0.3%，橋面橫坡為雙向-2.0%人字坡。

1.2 拱架構(gòu)造

本橋拱圈使用鋼拱架現(xiàn)澆法，而拱架使用懸臂拼裝施工。鋼拱架由標(biāo)準(zhǔn)階段、拱腳階段與拱頂合龍段共同組成；各個階段間通過銷軸與調(diào)節(jié)塊鏈接起來，其中下弦使用銷軸，上弦使用調(diào)節(jié)塊。沿弧向共用2聯(lián)拱腳節(jié)段、12聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段和1聯(lián)拱頂合龍段，每聯(lián)基本節(jié)段橫向為6組12片。

2 鋼拱架Midas有限元模型的建立

根據(jù)結(jié)構(gòu)計算模型的幾何特性、邊界條件等必須與實際結(jié)構(gòu)一致，采用專業(yè)有限元軟件Midas/Civil定義橋梁縱向為全局坐標(biāo)系的X軸，豎向為Z軸，橫橋向為Y軸。整個鋼拱架離散為5 367個節(jié)點，11 698個單元。拱架各階段下弦結(jié)點采取鉸接的方式鏈接，上弦桿節(jié)段間使用調(diào)節(jié)螺桿以調(diào)整鋼拱肋的線形，建模過程中使用彈性桿的方式進行模擬；在計算分析中，采用了彈性桿的方式進行模擬；拱架其余結(jié)點均固結(jié)鏈接；拱腳處固結(jié)。具體模型如圖1所示。

圖1 鋼拱架計算模型

3 考慮聯(lián)合受力鋼拱架受力分析

3.1 腹板混凝土澆筑結(jié)果分析

澆筑腹板混凝土?xí)r，此時的底板混凝土已經(jīng)形成剛度，能夠承擔(dān)一部分重量，計算時應(yīng)予以考慮，將腹板混凝土的重量以荷載的形式，全部加在底板上，底板與拱架的連接利用彈性支撐進行模擬。

如圖2所示：使用板單元對拱圈底板進行模擬，并與鋼拱架用彈性連接中的一般彈性支撐通過設(shè)置線彈性剛度來模擬鋼拱架對拱圈底板的支撐，腹板澆筑荷載通過換算濕重荷載加載在底板對應(yīng)位置來模擬拱圈腹板的澆筑；拱架拱腳處采用固結(jié)。

圖2 腹板澆筑計算模型

鋼拱架的受力及變形結(jié)果如下所示：

(1)腹板澆筑完成時受力分析結(jié)果

圖3 腹板混凝土澆筑完成鋼拱架應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖4 腹板混凝土澆筑完成鋼拱架軸力圖(單位：KN)

由圖3～圖4可知，在腹板混凝土澆筑工況完成時，鋼拱架最大應(yīng)力為-168.43 MPa，鋼拱架最大軸壓力為-582.07 KN。

(2)腹板澆筑完成時變形結(jié)果

圖5 腹板混凝土澆筑完成鋼拱架變形撓度圖(單位：mm)

由圖5結(jié)果可知，當(dāng)腹板混凝土澆筑完成時，鋼拱架最大下?lián)蠟?67.37 mm。

(3)腹板澆筑全過程計算分析結(jié)果

根據(jù)計算模型分析腹板澆筑全過程，現(xiàn)總結(jié)其結(jié)果如表1所示。

由上表1所示，在腹板澆筑過程中拱架最大應(yīng)力出現(xiàn)在腹板澆筑拱腳時，為-229.57 MPa；拱架最大軸壓力出現(xiàn)在腹板澆筑拱腳時，為694.86 KN；拱架最大變形出現(xiàn)在腹板澆筑完成時，下?lián)?7.37 mm。

3.2 頂板混凝土澆筑結(jié)果分析

在澆筑頂板時，此時拱圈已經(jīng)形成開口箱梁截面，剛度較大，承受了大部分頂板的荷載，故此考慮在頂板澆筑過程中底腹板與拱架的聯(lián)合受力，建立開口拱圈與鋼拱架組合模型分析。

如圖6所示：頂板混凝土澆筑時，拱圈底腹板用開口截面梁單元進行模擬，并與鋼拱架用彈性連接中的一般彈性支撐通過設(shè)置線彈性剛度來模擬鋼拱架對拱圈底腹板的支撐，頂板澆筑荷載通過換算濕重荷載加載在底腹板梁單元中間來模擬拱圈頂板的澆筑；拱架拱腳處采用固結(jié)。

圖6 頂板澆筑計算模型

當(dāng)頂板混凝土全部澆筑完成時，頂板澆筑荷載加載在底腹板上，鋼拱架的受力及變形結(jié)果如下所示：

(1)頂板澆筑完成時受力分析結(jié)果

圖7 頂板混凝土澆筑完成鋼拱架應(yīng)力圖(單位：MPa)

圖8 頂板混凝土澆筑完成鋼拱架軸力圖(單位：KN)

由圖7～圖8可知，在頂板混凝土澆筑工況完成時，鋼拱架最大應(yīng)力為-201.28 MPa，鋼拱架最大軸壓力為-679.04 KN。

(2)頂板澆筑完成時變形結(jié)果

由結(jié)果可知，當(dāng)頂板混凝土澆筑完成時，鋼拱架最大下?lián)蠟?76.83 mm。

(3)頂板澆筑全過程計算分析結(jié)果

根據(jù)計算模型分析腹板澆筑全過程，現(xiàn)總結(jié)其結(jié)果如表2所示。

表2 頂板澆筑全過程拱架受力及變形結(jié)果分析表

由上表2所示，在頂板澆筑過程中拱架最大應(yīng)力出現(xiàn)在頂板澆筑拱腳時，為-202.23 MPa；拱架最大軸壓力出現(xiàn)在腹板澆筑完成時，為679.04 KN；拱架最大變形出現(xiàn)在腹板澆筑完成時，下?lián)?6.83 mm。

4 結(jié) 論

根據(jù)計算分析結(jié)果得，在腹板澆筑過程中，拱架最大應(yīng)力出現(xiàn)于腹板澆筑拱腳處，為-229.57 MPa；拱架最大軸壓力出現(xiàn)于腹板澆筑拱腳處，為694.86 KN；拱架最大變形在腹板澆筑完成時產(chǎn)生，下?lián)?7.37 mm。滿足規(guī)范要求。在頂板澆筑過程中拱架最大應(yīng)力出現(xiàn)于頂板澆筑拱腳時，為-202.23 MPa；拱架最大軸壓力在腹板澆筑完成時產(chǎn)生，為679.04 KN；拱架最大變形在腹板澆筑完成時產(chǎn)生，下?lián)?6.83 mm，滿足規(guī)范要求。

由計算結(jié)果分析可知，考慮澆筑過程中底腹板與鋼拱架聯(lián)合受力情況下的鋼拱架受力分析結(jié)果均滿足規(guī)范要求，且澆筑腹板混凝土?xí)r，此時的底板混凝土已經(jīng)形成剛度，能夠承擔(dān)一部分荷載，計算時建議應(yīng)予以考慮。在澆筑頂板時，此時拱圈已經(jīng)形成開口箱梁截面，剛度較大，可承受了大部分頂板的荷載，故此建議考慮在頂板澆筑過程中底腹板與拱架的聯(lián)合受力。