毛建平 周里鳴 莫榮華 覃樂(lè)勤

摘要：大跨度鋼箱系桿拱橋拱腳處拱梁結(jié)合段構(gòu)造復(fù)雜，由于受到來(lái)自不同構(gòu)件不同方向的作用力，導(dǎo)致其受力極為復(fù)雜。為了解拱梁結(jié)合段應(yīng)力分布情況，指導(dǎo)橋梁施工及后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)，文章建立拱梁結(jié)合段精細(xì)化有限元模型進(jìn)行分析，并以實(shí)際施工過(guò)程中的監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：依托工程拱梁結(jié)合段應(yīng)力值均小于容許應(yīng)力，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，理論模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較吻合。研究成果可為橋梁后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供參考，同時(shí)可為同類(lèi)結(jié)構(gòu)的計(jì)算和設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：大跨度鋼箱系桿拱橋;拱梁結(jié)合段;局部應(yīng)力

0 引言

大跨度鋼箱系桿拱橋拱腳拱梁結(jié)合段為拱肋、系桿、橫梁交匯點(diǎn)，各構(gòu)件的材料、尺寸、橫隔板及縱橫向加勁肋布置不一，從而導(dǎo)致其構(gòu)造復(fù)雜。同時(shí)，拱梁結(jié)合段受拱的推力、梁的內(nèi)力、支座反力和系桿力等不同方向作用力影響，受力復(fù)雜，采用整理計(jì)算模型很難真實(shí)模擬其真實(shí)受力情況，需建立局部精細(xì)化有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析。本文以一座大跨徑雙層橋面中承式鋼箱系桿拱橋?yàn)橐劳泄こ?，根?jù)該橋拱梁結(jié)合段結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從精細(xì)化有限元分析和實(shí)橋監(jiān)測(cè)兩方面獲取結(jié)構(gòu)應(yīng)力，經(jīng)驗(yàn)證，結(jié)果可靠。

1 橋梁概況

梧州市西江四橋?yàn)閺V西最大跨徑雙層橋面中承式鋼箱系桿拱橋，橋梁全長(zhǎng)1 506.5 m，由主橋、南岸引橋、北岸引橋組成，主橋橋跨組合為（129+300+129） m，上層機(jī)動(dòng)車(chē)道寬16.5 m，下層非機(jī)動(dòng)車(chē)及人行道寬10.0 m（見(jiàn)圖1）。

該橋中跨拱肋、邊跨拱肋均采用懸鏈線(xiàn)拱軸線(xiàn)，計(jì)算矢跨比分別為1/5和1/3.38，拱軸系數(shù)均為1.6。橋面上拱肋采用閉口鋼箱截面，橋面以下拱肋采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱型截面，中跨拱肋高度按2次拋物線(xiàn)由4.3 m變?yōu)?.1 m，邊跨拱肋高度按2次拋物線(xiàn)由3.5 m[=XQS（]大跨度鋼箱系桿拱橋拱梁結(jié)合段局部應(yīng)力研究/毛建平，周里鳴，莫榮華，覃樂(lè)勤[=JP2]變?yōu)?.1 m，中、邊跨鋼箱拱肋段保持截面寬度為3.6 m和3.0 m不變。為改善受力，在上層橋面設(shè)置了通長(zhǎng)柔性系桿，并在邊跨設(shè)置了剛性系桿（見(jiàn)圖2）。

剛性系桿總長(zhǎng)89.5 m，采用鋼箱截面，與邊跨鋼箱拱肋接頭連接，構(gòu)成本課題研究對(duì)象大跨度鋼箱系桿拱橋拱梁結(jié)合段。結(jié)合段處剛性系桿和拱肋腹板采用整板，鋼材全部采用Q345C，系桿錨固區(qū)內(nèi)填筑C50低收縮混凝土。拱梁結(jié)合段構(gòu)造如圖3所示。

2 有限元分析計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

對(duì)于大跨度鋼箱系桿拱橋，受其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的影響，采用全橋?qū)嶓w模型進(jìn)行模擬計(jì)算顯然不經(jīng)濟(jì)且難以實(shí)現(xiàn)。采用桿系單元進(jìn)行全橋分析，計(jì)算結(jié)果往往不能精確反映局部應(yīng)力情況。為準(zhǔn)確獲得大跨度鋼箱系桿拱橋拱腳處拱梁結(jié)合段局部應(yīng)力，一般采用兩種方法：（1）先建立橋梁整體分析模型提取內(nèi)力，后根據(jù)圣維南原理截取局部結(jié)構(gòu)建立精細(xì)化有限元模型進(jìn)行計(jì)算[1-5];（2）建立混合模型[6-7]，通過(guò)在一個(gè)計(jì)算模型中采用桿系和板殼模型等多種方式混合進(jìn)行模擬計(jì)算。通?；旌夏Ｐ洼^為復(fù)雜，費(fèi)時(shí)且效率較低，工程實(shí)踐中往往采用方法一進(jìn)行模擬分析。

為精準(zhǔn)模擬橋梁拱腳處拱梁結(jié)合段的受力情況，需合理確定局部模擬區(qū)域。根據(jù)圣維南原理，力作用于桿端方式的不同，只會(huì)使與桿端距離不大于桿件的橫向尺寸的范圍受到影響。因此，根據(jù)截面尺寸及結(jié)合處構(gòu)造，局部模型取主拱到7.84 m處，梁從拱外邊緣向內(nèi)取9.0 m。采用大型通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行局部分析，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇合適的模擬單元和材料參數(shù)（見(jiàn)表1），有限元計(jì)算模型如圖4、圖5所示。

2.2 邊界條件

如圖5所示，局部模型在拱肋、剛性系桿上以豎向截面切斷。邊界約束條件的使用如下：

（1）支座區(qū)域邊界設(shè)置成豎向位移約束;

（2）拱肋與剛性系桿切口處設(shè)置成剛域，并將拱肋處邊界設(shè)置成固定約束。

2.3 荷載取值

荷載信息來(lái)源于Midas Civil軟件主橋整體靜力分析計(jì)算結(jié)果。模型中剛性系桿、拱肋、橫撐等采用梁?jiǎn)卧M;吊桿和柔性系桿采用桁架單元。按實(shí)際情況設(shè)置邊界條件。全橋共劃分單元3 619個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為2 916個(gè)。結(jié)構(gòu)離散圖如圖6所示。

依據(jù)計(jì)算結(jié)果，分別提取鋼縱梁和系桿在全橋計(jì)算中的最不利內(nèi)力值（見(jiàn)表2）。

內(nèi)力的施加方式：

（1）剛性系桿內(nèi)力通過(guò)切口處的剛域主節(jié)點(diǎn)施加;

（2）柔性系桿力按實(shí)際傳力模式和力大小，通過(guò)環(huán)形支座板間接施加在錨墊板上。

2.4 計(jì)算結(jié)果與分析

2.4.1 混凝土部分

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，系桿錨固區(qū)內(nèi)填筑的混凝土主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可知，混凝土大部分應(yīng)力很小，主壓應(yīng)力最大值為14.22 MPa<22.4 MPa，滿(mǎn)足要求。大部分位置主拉應(yīng)力均控制在1.83 MPa以下，但在混凝土邊角處及支座附近等局部區(qū)域主拉應(yīng)力值略高，剔除局部受力混凝土單元后的應(yīng)力如圖9所示。

由此可見(jiàn)，在不考慮局部應(yīng)力的情況下，混凝土主拉應(yīng)力滿(mǎn)足要求。較大的主拉應(yīng)力出現(xiàn)在局部作用區(qū)域周?chē)粋€(gè)單元的范圍內(nèi)，涉及單元較多而單元尺寸較大。主拉應(yīng)力值雖然略高，但在分析中發(fā)現(xiàn)隨著單元尺寸的減小，這一范圍（一個(gè)單元的范圍）收縮，同時(shí)應(yīng)力值下降?？紤]局部加強(qiáng)鋼筋的作用，認(rèn)為局部作用下主拉應(yīng)力是安全的。

2.4.2 鋼結(jié)構(gòu)部分

由計(jì)算結(jié)果可知，鋼結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力總體圖和錨墊板區(qū)等效應(yīng)力圖如圖10和圖11所示。

由圖10、圖11可知：

（1）從整體看結(jié)合段大部分區(qū)域應(yīng)力值均控制在110 MPa以下。錨墊板區(qū)最大應(yīng)力為152.904 MPa。均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

（2）鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值為245.779 MPa，發(fā)生在鋼箱系桿頂板開(kāi)孔處附近。產(chǎn)生較大應(yīng)力的原因?yàn)轫敯彘_(kāi)孔造成的應(yīng)力集中。

排除應(yīng)力集中前后的計(jì)算結(jié)果如圖12所示。

由圖12可知，排除應(yīng)力集中單元后，鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值為152.904 MPa，位于錨墊板區(qū)。

綜合上述計(jì)算和分析結(jié)果，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力均小于Q345鋼材的屈服強(qiáng)度及其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，滿(mǎn)足要求，結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

3 驗(yàn)證性監(jiān)測(cè)

為進(jìn)一步驗(yàn)證拱梁結(jié)合段局部應(yīng)力的大小，在實(shí)橋開(kāi)展施工過(guò)程應(yīng)力監(jiān)測(cè)。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別布置在縱梁開(kāi)孔處的局部應(yīng)力集中區(qū)域（對(duì)應(yīng)圖13的2#和3#點(diǎn)）及剛性系桿端部頂面其他區(qū)域（對(duì)應(yīng)圖13的1#和4#點(diǎn)）。

根據(jù)橋梁施工過(guò)程，選擇柔性系桿張拉后的施工階段提取數(shù)據(jù)分析應(yīng)力實(shí)測(cè)值和理論值，結(jié)果對(duì)比如表3所示。

由表3中實(shí)測(cè)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知：

（1）剛性系桿端部頂面實(shí)測(cè)應(yīng)力值，與有限元分析結(jié)果基本吻合，說(shuō)明本文采用的拱腳位置拱梁結(jié)合段精細(xì)化有限元模型能較準(zhǔn)確地反映該位置處局部受力狀態(tài)。

（2）由于系桿通過(guò)頂板需要開(kāi)孔，開(kāi)孔位置附近存在較明顯的應(yīng)力集中，計(jì)算模型考慮直接開(kāi)孔，實(shí)際應(yīng)用添加了襟邊等其他構(gòu)造，有抑制應(yīng)力集中的作用，實(shí)測(cè)應(yīng)力值明顯小于理論計(jì)算值。結(jié)合實(shí)測(cè)和分析結(jié)果，說(shuō)明本橋該位置是安全的。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）本文采用精細(xì)化有限元模型對(duì)大跨度鋼箱系桿拱橋拱梁結(jié)合段局部應(yīng)力進(jìn)行分析，能有效模擬結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力分布特征。計(jì)算結(jié)果表明構(gòu)件應(yīng)力值均小于材料容許應(yīng)力，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

（2）施工過(guò)程對(duì)大跨度鋼箱系桿拱橋拱梁結(jié)合段等復(fù)雜受力部位進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)，將實(shí)測(cè)值與理論值進(jìn)行對(duì)比分析，能及時(shí)掌握結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，做到安全預(yù)警及調(diào)控，對(duì)指導(dǎo)橋梁施工及后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)有較大益處。

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