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        下承式鋼管混凝土系桿拱橋穩(wěn)定性分析

        2022-11-18 04:09:36
        北方交通 2022年11期
        關(guān)鍵詞:系桿拱圈吊桿

        黃 華

        (重慶巨能建設(shè)集團(tuán)路橋工程有限公司 重慶市 401329)

        0 引言

        近年來,隨著技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展,橋梁建設(shè)突飛猛進(jìn),在橋梁建設(shè)過程中不僅對結(jié)構(gòu)安全高度重視,而且對其美觀效果也逐步重視。鋼管混凝土拱橋的出現(xiàn)對于橋梁的外觀是一大提升[1-2]。特別是系桿類拱橋具有諸多優(yōu)勢,不僅有良好的抗彎性,而且具有強(qiáng)抗壓性[3]。下承式鋼管混凝土拱橋由于其受力和構(gòu)造的復(fù)雜性,對其穩(wěn)定性研究分析是非常有必要的。有學(xué)者借助有限元分析法對拱橋穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,金成棣[4-5]等對組合式拱橋橋面內(nèi)外以及系桿拱橋的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究分析;徐超[6]以淮州灣大橋?yàn)橐劳?,借助MIDAS有限元,建立下承式鋼箱系桿拱橋有限元模型,采用特征值屈曲分析對其穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析;徐興偉[7]運(yùn)用MIDAS有限元分析了鋼管混凝土系桿拱橋在風(fēng)荷載作用下其施工階段拱腳應(yīng)力分布規(guī)律;詹剛毅等[8]依托余信貴大橋,并借助MIDAS有限元,開展了中承式蝴蝶形系桿拱橋的受力性能分析,并對全橋的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析;高峰[9]采用GEO5有限元對鋼管混凝土拱橋施工階段的吊桿應(yīng)力進(jìn)行了分析;李艷鳳等[10]借助MIDAS有限元,建立下承式系桿拱橋模型,對其施工階段的受力特性進(jìn)行了研究分析,主要研究其吊桿索力和拱肋的應(yīng)力變形的規(guī)律;陳世民等[11]采用有限元軟件MSC.NASTRAN建立鋼管混凝土拱橋模型,研究了在施工及運(yùn)營階段非線性應(yīng)力的變化規(guī)律;傅根根等[12]研究了管內(nèi)混凝土脫空對鋼管混凝土拱橋的穩(wěn)定性影響。綜上所述,文獻(xiàn)中均未對下承式鋼管混凝土系桿拱橋的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,因此,借助MIDAS有限元,研究分析了下承式鋼管混凝土系桿拱橋的穩(wěn)定性,以期指導(dǎo)此類拱橋的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

        1 工程概況及靜力荷載

        1.1 工程概況

        以某下承式鋼管混凝土拱橋?yàn)檠芯繉ο?,全?0.5m,是某省道的控制性工程。主橋采用66m系桿拱橋,該下承式鋼管混凝土的拱軸線為懸鏈線,拱軸系數(shù)m=2.6,拱肋軸線理論矢高20m,矢跨比為1/2.6,拱肋橫向中心距為30.5m。拱肋的鋼管內(nèi)灌注C60混凝土。

        1.2 靜力荷載

        (1)工況一:自重包括拱圈、吊桿、系桿、中橫梁和端橫梁;施加自重系數(shù)為-1。

        (2)工況二:二期恒載,按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)取值;橫梁跨中取-20kN,懸臂段取值為-40kN。

        (3)工況三:吊桿張拉力;取值為700kN。

        (4)工況四:不利活載;取值為-40kN。

        (5)工況五:最大移動荷載;取值為-46.6kN。

        2 有限元模型的建立

        2.1 有限元模型

        采用midascicil建立主橋有限元模型,拱圈、系桿、中橫梁和端橫梁均采用梁單元模擬,吊桿采用桁架單元模擬,邊界條件均采用固定約束。有限元模型見圖1。

        圖1 鋼管混凝土系桿拱橋有限元模型

        2.2 材料特性取值

        拱圈采用16Mnq鋼和C60混凝土組合,中橫梁、端橫梁和系桿采用C50混凝土,吊桿采用高強(qiáng)鋼絞線,具體參數(shù)見表1。

        表1 材料參數(shù)特性

        3 靜力計(jì)算結(jié)果及分析

        3.1 各工況下拱圈內(nèi)力分析

        拱圈在各工況下的彎矩圖、軸力圖見圖2、圖3,軸力“+”表示受拉,彎矩和軸力最值統(tǒng)計(jì)見表2。

        由圖2、表2可知,五種工況拱圈的最大彎矩均發(fā)生在拱腳處,工況一至工況五下彎最大值分別為:1000kN·m、763kN·m、263kN·m、106kN·m,211kN·m。由以上數(shù)據(jù)可知在工況一自重作用下,對彎矩的影響最大,其次是工況二二期恒載的作用,其中工況四不利活載對拱圈彎矩的影響最小。因此在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮自重對拱圈彎矩的影響。

        圖2 各工況下拱圈彎矩圖

        圖3 各工況下拱圈軸力圖

        表2 彎矩和軸力值

        由圖3和表2可知,五種工況下,軸力的最大值也均出現(xiàn)在拱腳處,工況一至工況五下軸向壓力最大值分別為:6880kN、6850kN、99.3kN、1400kN、1030kN。由以上數(shù)據(jù)可知,軸力受自重和二期恒載的影響最大,受吊桿張拉力的影響最小,不利活載和最大移動荷載對拱圈軸力的影響也不可忽略。在設(shè)計(jì)時(shí),對于軸力的影響主要考慮自重和二期恒載的影響,吊桿張拉力的影響可忽略不計(jì),不利活載和最大移動荷載的影響也需要著重考慮。由圖3還可以看出拱圈主要承受軸向受壓,符合鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)要求。

        3.2 各工況下系桿應(yīng)力分析

        系桿的應(yīng)力分析主要分析在各工況下系桿的應(yīng)力變化情況,以及在各工況下是否滿足規(guī)范要求的C50混凝土應(yīng)力容許值22.4MPa。在各工況下系桿的應(yīng)力云圖見圖4,應(yīng)力值見表3。

        圖4 各工況下系桿應(yīng)力云圖

        表3 各工況下系桿應(yīng)力值

        由圖4和表3可知,工況一至工況五作用下系桿的最大應(yīng)力分別為:5.35MPa,3.41MPa,1.09MPa,1.97MPa,2.06MPa。且系桿應(yīng)力均為壓應(yīng)力,無拉應(yīng)力出現(xiàn),本文計(jì)算系桿應(yīng)力時(shí)規(guī)定壓應(yīng)力為“+”。自重和二期恒載作用下系桿應(yīng)力變化一致,最大應(yīng)力均出現(xiàn)在接近跨中位置,向兩端逐漸減??;在吊桿張拉力的作用下,系桿的最大應(yīng)力出現(xiàn)在兩端位置,由兩端向跨中先減小后增大,但小于兩端的應(yīng)力值;在不利活載和最大移動荷載的作用下,系桿的應(yīng)力變化大致相同,應(yīng)力最大值出現(xiàn)在接近左端側(cè)位置。五種工況下,自重荷載對系桿應(yīng)力影響最大,應(yīng)力值為5.35MPa,壓應(yīng)力未超過C50混凝土規(guī)定的容許應(yīng)力值22.4MPa。

        3.3 吊桿應(yīng)力分析

        本橋共設(shè)置了15對吊桿,根據(jù)鋼管混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定,吊桿的安全系數(shù)應(yīng)≥2,即吊桿的容許應(yīng)力值為:[σ]≤0.5ftpk=0.5×1860=930MPa。限于篇幅,僅給出在自重作用下,吊桿的最大應(yīng)力云圖見圖5,吊桿應(yīng)力值見表4。由圖5和表4可知,五種工況下,對吊桿應(yīng)力影響最大的是自重即工況一;且自重作用下吊桿的應(yīng)力值是五種工況下的最大值,為439MPa,安全系數(shù)為7,滿足規(guī)范要求。

        圖5 吊桿應(yīng)力云圖

        表4 各工況下吊桿應(yīng)力值

        4 結(jié)論

        開展了鋼管混凝土系桿拱橋的穩(wěn)定性研究分析,計(jì)算了五種工況下拱橋的內(nèi)力分布,并分析了主要影響拱橋穩(wěn)定的工況類型,主要從主拱圈的內(nèi)力情況、系桿的應(yīng)力變化情況以及吊桿的應(yīng)力驗(yàn)算三方面對鋼管混凝土系桿拱橋的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析,結(jié)果表明:

        (1)拱圈的內(nèi)力受自重荷載和二期恒載的影響最大,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮這兩種荷載的布設(shè)。

        (2)系桿的應(yīng)力受自重荷載的影響最大,應(yīng)力值為5.35MPa,滿足C50混凝土的規(guī)范要求(22.4MPa),結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全。

        (3)吊桿應(yīng)力受自重荷載的影響最大,應(yīng)力值達(dá)到439MPa,經(jīng)驗(yàn)算,滿足吊桿的規(guī)范要求,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全。

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