摘 ?要：連續(xù)梁拱橋的拱座是該類橋梁受力最復雜的部分，為掌握其應力分布，本文根據某大跨度連續(xù)梁橋建立精細化實體模型，采用C3D10十結點二次四面體單元，計算分析了各關鍵施工階段拱腳應力的空間分布特征及其傳力特性。由縱向應力云圖分析結果可知，各施工階段拱座縱向主要以受壓為主，局部出現(xiàn)拉應力，但拉應力值不大，符合規(guī)范要求;由第一主應力云圖可以看出，拱座橫梁過人孔處容易出現(xiàn)應力集中，建議在拉力過大區(qū)域進行抗裂設計。

關鍵詞：連續(xù)梁拱橋;拱座;有限元分析;應力云圖

中圖分類號：U441.5;U448.22

0 ?引????言

近年來，隨著高速鐵路的飛速建設，為滿足跨越能力，出現(xiàn)了許多新型打垮橋梁結構形式，預應力混凝土連續(xù)梁拱組合橋就是其中一種^[1]。該橋型具有較大的豎向剛度和優(yōu)越的動力性能，同時還綜合了吊桿拱橋和連續(xù)梁橋強度高、跨越能力大、自重小、經濟性好等優(yōu)點^[2-4]。多年的工程實踐已證明，連續(xù)梁拱組合橋具有良好的變形能力、抗風抗震性能好、抗疲勞性好等特點^[5]。連續(xù)梁拱組合橋拱座是主要的承重構件和傳力構件^[6]，其受力較為復雜，已有的研究中發(fā)現(xiàn)拱座容易出現(xiàn)混凝土開裂等問題^[7]，目前相關的理論研究已無法滿足工程實踐的需求，且現(xiàn)行的設計規(guī)范中均未有相關的設計要求。因此，對拱座的受力分析，研究傳力機制就顯得十分必要。

本文依據實際工程對一座下承式連續(xù)梁拱橋的拱座進行分析，研究該跨徑下的連續(xù)梁拱橋拱座的受力特性及傳力機制，并為該類橋梁的施工提供一些參考建議。

1 ?拱座局部模型

1.1 ?工程概況

主橋采用72+128+72m預應力混凝土連續(xù)梁與中孔鋼管混凝土加勁拱組合結構體系。拱軸線采用二次拋物線，中孔跨度128m，矢高21.333m，矢跨比1/6。拱肋采用啞鈴型鋼管混凝土截面。鋼管直徑1.0m，拱肋全高3m，腹板寬0.6m，拱腳局部加寬到1.0m，上下鋼管及腹腔內灌注補償收縮混凝土，兩榀拱肋中心距12.8m，吊桿間距6.0m，中跨共設18對吊桿，每側18根。全橋共設3道一字形撐和4道K形撐，一字形撐及K形撐的橫撐采用直徑1.0m、全高1.5m的圓端形截面，K形撐的斜撐采用直徑0.9m的圓形鋼管截面。橋梁上部結構立面圖和平面圖如圖1所示。

1.2 ?有限元模型

本橋拱座局部采用有限元軟件進行實體建模，按拱座模型按實際尺寸進行建立，拱肋沿拱軸線伸出2m，縱橋向箱梁按支座中心線對稱各取10m梁段，橫橋向取橋面全寬18m。模型中的X、Y、Z方向分別是實體橋梁的橫橋向、豎橋向、縱橋向。靠近中跨一側為右截面，對稱側為左截面。如圖2所示是拱腳局部實體模型圖。

1. 邊界荷載：拱座底部采用完全固結，拱肋伸入拱座部分采用綁定約束。左右截面彎矩施加參考點分別與左右斷面耦合。拱座軸力和拱肋軸力等效為壓強施加在相應截面上。

1. 網格劃分：網格劃分采用C3D10，十結點二次四面體單元，整個模型共劃分85909個結點，53575個單元。

1.3 ?荷載工況選取

本橋根據橋梁施工過程，選取不同施工階段的拱腳受力進行分析研究。采用兩部分析法，首先用有限元軟件Midas Civil建立全橋模型進行施工階段受力分析，按照成橋過程提取不同施工階段最不利荷載工況下相應斷面的軸力、彎矩，然后按照靜力等效的原則施加到拱座局部模型上進行受力分析，以評估施工過程中拱座的安全性。其中軸力和彎矩荷載提取中考慮了恒荷載、施工荷載、鋼束預應力以及混凝土的收縮徐變。

2 ?有限元計算結果分析

2.1 ?工況一應力結果分析

拱肋伸入段與零號塊一起澆筑，當主梁澆筑完成后，此時拱肋無軸力，整個拱座以受壓為主，局部出現(xiàn)拉應力。在橫橋向兩拱腳之間中腹板四周出現(xiàn)較大拉應力為0.778MPa，如圖6所示?？v橋向在拱腳上三角區(qū)域出現(xiàn)較大拉應力0.438MPa，如圖7所示。由第一主應力可以看出，由于較大彎矩作用拱腳上部出現(xiàn)拉應力。

2.2 ?工況二應力結果分析

主梁施工完畢，安裝好拱肋之后，拱座橫橋向與工況一相同，在兩拱腳之間中腹板四周出現(xiàn)較大拉應力0.912MPa，如圖9所示。縱橋向在拱腳上三角區(qū)域出現(xiàn)較大拉應力1.003MPa，在左右截面邊腹板處出現(xiàn)較大壓應力-13.99Mpa，如圖10所示。由第一主應力云圖可以看出拱肋伸入拱腳處上側局部出現(xiàn)拉應力，最大值為2.787Mpa，此外零號塊橫梁處也會出現(xiàn)較大的局部拉應力。整個拱座以受壓為主，最大壓應力為-10.25Mpa，如圖11所示。

2.3 ?工況三應力結果分析

拱肋澆筑完畢，吊桿張拉之后，拱座橫橋向與工況二相同，在兩拱腳之間中腹板四周出現(xiàn)較大拉應力，最大拉應力為1.38MPa，如圖12所示?？v橋向在拱腳上三角區(qū)域出現(xiàn)0.85MPa的拉應力，在左右截面邊腹板處出現(xiàn)較大壓應力為-11.5Mpa，如圖13所示。由第一主應力云圖可以看出拱肋伸入部分與拱腳接觸面間出現(xiàn)局部較大拉應力為2.685Mpa，零號塊橫梁部分也會出現(xiàn)局部較大拉應力。整個拱座以受壓為主，最大壓應力為-13.52Mpa，如圖14所示。

2.4 ?工況四應力結果分析

吊桿張拉完畢，二期恒載作用之后，拱座橫橋向與工況三相同，在兩拱腳之間中腹板四周出現(xiàn)較大拉應力，最大拉應力為1.79MPa，如圖15所示。縱橋向在拱腳上三角區(qū)域出現(xiàn)0.817MPa的拉應力，在左右截面邊腹板處出現(xiàn)較大壓應力為-15.83Mpa，如圖16所示。由第一主應力云圖可以看出拱肋伸入部分與拱腳接觸面間出現(xiàn)局部較大拉應力為2.668Mpa，零號塊橫梁部分也會出現(xiàn)局部較大拉應力。整個拱座以受壓為主，最大壓應力為-13.99Mpa。

2.5 ?工況五應力結果分析

拱肋澆筑完畢，吊桿張拉之后，拱座橫橋向與工況二相同，在兩拱腳之間中腹板四周出現(xiàn)較大拉應力，最大拉應力為1.79MPa，如圖18所示?？v橋向在拱腳上三角區(qū)域出現(xiàn)0.817MPa的拉應力，在左右截面邊腹板處出現(xiàn)較大壓應力為-15.83Mpa，如圖19所示。由第一主應力云圖可以看出拱肋伸入部分與拱腳接觸面間出現(xiàn)局部較大拉應力為2.668Mpa，零號塊橫梁部分也會出現(xiàn)局部較大拉應力。整個拱座以受壓為主，最大壓應力為-13.99Mpa。

3 ?結語

通過對不同施工階段拱腳節(jié)點的空間有限元分析計算，得到以下主要結論。

（1）拱座受力比較復雜，整個施工過程中以受壓為主，局部會出現(xiàn)拉應力，但均小于混凝土的抗拉、抗壓強度設計值，整個施工過程拱座具有較好的安全儲備。

（2）整個施工過程中，拱座在兩拱腳之間中腹板四周及拱腳上三角區(qū)域會出現(xiàn)較大拉應力，建議加大這部分構造筋的布置或加強橫向預應力筋的布置避免應力集中使混凝土開裂。

（3）拱肋受力傳遞路徑主要集中在開始伸入拱腳的部分，即增加拱肋伸入拱腳的長度并不能明顯改善拱腳的受力，為避免應力集中建議在拱肋插入拱腳周圍設置加勁鋼板并與拱肋焊接，且將加勁鋼板通過焊釘焊接在拱腳內部鋼筋上。

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作者信息：常楓（1961-），男，漢族，工程師，研究方向：橋梁工程及橋梁施工，