張文光 （新疆維吾爾自治區(qū)喀什地區(qū)交通運輸局，新疆 喀什 844000）

1 引言

近三十年來，鋼管混凝土拱橋在我國蓬勃發(fā)展，其中，鋼管混凝土拱－梁組合橋更是集梁橋和拱橋兩者的優(yōu)點于一體，以其跨越能力強、結構剛度大、施工方便等優(yōu)點，在我國得到廣泛的應用[1]。鋼管混凝土拱－梁組合橋內(nèi)部是復雜的超靜定結構，主要由活載分布構件、力的傳遞構件及主要承重構件組成，其力學原理是將承受壓力的拱肋及承受彎矩、軸力的縱梁組合起來協(xié)同受力。吊桿既作為豎向傳力構件，又作為縱梁的支承，從而降低縱梁高度，使得結構受力合理，具有良好的經(jīng)濟效益[2-3]。對于鋼管混凝土拱－梁組合橋而言，拱腳部位與系梁、端橫梁固結，構造復雜，是全橋受力的關鍵部位，也是結構受力集中復雜的區(qū)域，其應力分布難以用桿系計算模型得到[4-9]。因此，通常在進行整體受力分析之后，還應對拱腳進行局部受力分析，以得到其實際受力特征[4,10]。

本文以某鋼管混凝土拱－梁組合橋為工程背景，采用有限元法建立拱腳固結區(qū)域的實體模型，研究最不利荷載組合作用下的受力特征，為類似結構的設計計算提供參考。

2 有限元模型

某鋼管混凝土拱－梁組合橋的拱腳構造如圖1所示，根據(jù)實際構造，選取幾何模型包括：2.0 m長的啞鈴型拱肋，拱腳實體部分，一半長度5.05 m的端橫梁。在拱肋和縱梁選取斷面加載，荷載通過全橋桿系模型最不利荷載組合得到，系桿索力P為24901 kN。拱腳底部為約束端，按固結考慮，端橫梁固定橫橋向位移。

圖1 幾何尺寸及計算荷載

根據(jù)圖1所示結構尺寸，采用大型通用程序ANSYS建立實體模型，為避免拱肋邊界條件對研究區(qū)域的影響，主、副拱肋截取長度均為直徑的2倍以上。整個有限元模型共200042個節(jié)點，139829個單元，如圖2所示。其中，鋼管采用四節(jié)點殼單元SHELL63，彈性模量 Es=2.06×105MPa，泊松比 υs=0.3，鋼材密度ρs=7850 kg/m3?；炷敛糠植捎脤嶓w單元solid95，鋼管內(nèi)灌注混凝土和拱腳混凝土強度為C50，彈性模量Ec=3.45×104MPa，泊松比 υc=0.17，混凝土密度 ρc=2650 kg/m3。

圖2 有限元模型

在系桿預應力錨固處、端橫梁預應力錨固處，按照實際預應力作用于錨墊板施加面荷載，在拱肋、縱梁加載面質(zhì)心位置建立節(jié)點，與加載面上其他各點形成剛臂單元，最后在加載面上施加軸力、剪力、彎矩等節(jié)點荷載。同時在拱座底部施加固結約束，端橫梁端部施加橫橋向約束。

3 計算結果及分析

3.1 結構變形

圖3為有限元計算的變形結果，可以看出，整個拱腳區(qū)域的結構剛度較大，最大彎矩工況下，整個拱座往上翹，最大變形出現(xiàn)在啞鈴型拱肋加載斷面下緣。

圖3 整體變形

3.2 應力分析

圖4為拱座節(jié)點模型的主應力跡線圖，以矢量表示主應力，矢量長短表示主應力大小，矢量方向表示主應力方向，圖中用黑色、綠色和藍色分別表示第一主應力、第二主應力和第三主應力。

圖4 混凝土主應力跡線圖

整體模型主應力跡線主要表現(xiàn)為藍色，表明受力以受壓為主。主應力跡線分布水平方向明顯比拱肋軸向要密，為受力的最主要特征，表明拱座預應力比較大，與系桿預應力加載有關。矢量方向以縱橋為主，表明以縱向受力為主。縱橋向拱肋內(nèi)力主要表現(xiàn)為水平推力，推力由系桿預應力來平衡，表現(xiàn)為系桿預應力的主應力跡線指向拱肋端部并與拱肋主應力跡線相接，形成從拱肋至系桿預應力錨固區(qū)主壓應力跡線流。由于彎矩的影響，拱座底部為約束端，底部明顯出現(xiàn)兩個應力跡線密集區(qū)，如圖4中A、B所示，且A區(qū)為黑色，B區(qū)為藍色，表明A區(qū)周圍出現(xiàn)很大的拉應力區(qū)域，圖中表現(xiàn)為黑色矢量。

圖5～圖7為模型橫橋向、縱橋向和豎向應力云圖，可以看出，由于拱座底部約束導致約束節(jié)點處分別出現(xiàn)最大拉應力和最大壓應力，表明系梁的預應力偏心造成的不平衡，對拱座底部造成了較大的彎矩，所以，實際結構中應考慮系梁預應力偏心不平衡力的影響。

圖5 橫橋向應力云圖

圖6 縱橋向應力云圖

圖7 豎向應力云圖

圖8是鋼管的von-mises應力等效云圖，可以看出，最大等效應力最大出現(xiàn)在拱肋下端管的下邊緣。

圖8 鋼管von-mises等效應力云圖

4 結語

本文通過建立某鋼管混凝土拱－梁組合橋拱腳局部有限元模型，對最不利荷載組合作用下的拱腳區(qū)域受力特征情況進行了分析，結果如下：

①拱腳區(qū)域整體結構剛度比較大，在拱腳最大彎矩工況下，整個拱座往上翹，最大變形出現(xiàn)在啞鈴型拱肋加載斷面下緣；

②主應力跡線分布水平方向明顯比拱肋軸向要密，形成拱座節(jié)點受力的最主要特征，表明拱座以縱向受力為主；

③拱座底部約束導致約束節(jié)點處分別出現(xiàn)最大拉應力和最大壓應力，表明系桿預應力偏心對拱座底部造成了較大的彎矩，實際結構中應考慮系梁預應力偏心對拱座造成的影響；

④拱肋鋼管的von-mises最大等效應力最大出現(xiàn)在下端管的下邊緣。