淺談鋼管混凝土系桿拱橋拱肋的數(shù)值模擬方法

王安懷

0 引言

鋼管混凝土是在鋼管內(nèi)灌注混凝土形成的一種組合結構[1］。鋼管與混凝土獨特的組合方式使得鋼管混凝土結構的抗壓強度與抗變形能力有了很大的改善，因而得到廣泛應用。拱橋的施工過程相對較為復雜，而且不同施工方法對其成橋時的內(nèi)力有很大的影響，在運用有限元軟件計算分析拱橋時，鋼管混凝土拱的模擬準確與否是建模的關鍵。鋼管混凝土拱肋一般按桿系結構處理，但其在材料上又屬于鋼—混凝土組合結構，而且兩種材料又是在不同的施工過程中組合的。所以，有限元建模時，鋼管混凝土拱肋在施工過程中的模擬方法較多，本文將對鋼管混凝土拱肋有限元分析中的幾種模擬方法進行探討分析。

1 施工過程中鋼管混凝土拱肋的數(shù)值模擬方法

1.1 換算材料法

將鋼管混凝土換算為直徑等于鋼管外徑的圓形截面的等效材料，即當管內(nèi)混凝土達到強度要求前，采用鋼管梁單元模擬，當管內(nèi)混凝土達到強度要求后，將鋼管混凝土換算為同一種等效材料，根據(jù)彎曲剛度分配鋼管和混凝土的內(nèi)力，換算公式為:

1.2 多單元法

1.2.1 雙單元法

雙單元法，即將鋼管和混凝土分別建立單元，兩者共結點。當管內(nèi)混凝土達到強度要求前，只激活鋼管梁單元，當管內(nèi)混凝土達到強度要求后，兩種材料的單元都激活，注管內(nèi)混凝土過程是通過施加混凝土濕重來模擬。

1.2.2 三單元法

三單元法，也是將鋼管和混凝土分別建立單元，但混凝土建成雙單元模型，即管內(nèi)混凝土達到強度要求前，激活鋼管梁單元;注管內(nèi)混凝土過程時激活的單元為只考慮重量不考慮彈模的混凝土單元，當管內(nèi)混凝土達到強度要求后再激活的單元為不考慮重量只考慮彈模的混凝土單元，三種單元共結點。

1.3 通用程序中的具體方法

1.3.1 聯(lián)合截面法

采用有限元軟件MIDAS/CIVIL分析時，鋼管混凝土拱肋可采用施工階段聯(lián)合截面法模擬，即在管內(nèi)混凝土達到強度要求前，采用鋼管單元模擬，管內(nèi)混凝土達到強度要求后，采用施工階段聯(lián)合截面的功能來模擬鋼管混凝土拱肋。

1.3.2 調(diào)整截面系數(shù)法

在有限元軟件MIDAS/CIVIL中，鋼管混凝土拱肋可采用軟件提供的調(diào)整截面系數(shù)法模擬，即管內(nèi)混凝土達到強度要求前，采用鋼管單元模擬，管內(nèi)混凝土達到強度要求后，調(diào)整原鋼管截面的系數(shù)(包括截面面積、抗剪有效面積、抗扭剛度、慣性矩、重量等)來模擬鋼管混凝土拱肋。

2 算例

2.1 工程概況

擬建的某拱橋為40 m鋼管混凝土下承式系桿拱橋。本橋設計荷載為汽車公路Ⅱ級，人群荷載采用3.0 kN/m2。橋面凈寬為2×3.5 m(車行道)+2 ×0.25 m(防拋網(wǎng))+2 ×0.5 m(防撞欄)+2×1.0 m(人行道)，總寬10.5 m。拱肋矢高為8 m，矢跨比為1/5，拱軸線為二次拋物線y=4fx(L－x)/L2，采用圓形鋼管，內(nèi)填C40微膨脹混凝土，由兩片組成，每片為φ800×12 mm鋼管。系梁為預應力混凝土(C50)矩形截面，梁寬1.2 m，近支點處梁高逐漸增大至2.0 m。全橋兩片拱肋，每片有13根吊桿，間距為2.5 m;外套不銹鋼管，并壓注微膨脹水泥砂漿，以防止鋼絲銹蝕。行車道板為25 cm厚的預制實心板，在頂面澆筑10 cm整體化鋼筋混凝土面層。橋面無縱坡，橋面橫坡為1.5%人字坡。

2.2 主要施工過程和計算工況說明

系梁與端橫梁采用有支架現(xiàn)澆施工，中橫梁采用預制梁，拱肋采用少支架施工。施工過程中系梁預應力筋分3批張拉，中橫梁預應力筋分2批張拉，吊桿分2次張拉。上部結構施工順序見表1。

表1 施工階段劃分

本文主要研究鋼管混凝土系桿拱橋施工過程中拱肋的模擬方法，以及各種模擬方法對成橋時構件內(nèi)力的影響;同時，對雙單元法、三單元法和聯(lián)合截面法模擬的三個模型，分別考察了管內(nèi)混凝土收縮徐變對鋼管和混凝土應力的影響。計算主要考慮六個工況，分別為第六階段(拱肋合龍)、第七階段(注混凝土)、第八階段(混凝土達到強度)、第十八階段(成橋)以及成橋一年、三年。

2.3 計算結果比較分析

本文運用大型有限元軟件MIDAS/CIVIL對該橋建立全橋空間有限元模型，如圖1所示。鋼管混凝土拱肋在澆筑管內(nèi)混凝土的這個施工過程分別采用雙單元法、三單元法、換算材料(鋼材)法、聯(lián)合截面法、調(diào)整系數(shù)法模擬，計算結果如表2，表3所示，表2為五種方法下鋼管混凝土拱肋拱頂?shù)呢Q向變形情況，表3為五種方法下鋼管混凝土拱肋的應力情況。

表2 五種方法下鋼管混凝土拱肋拱頂豎向位移 mm

表3 五種方法下鋼管混凝土拱肋的最大壓應力 MPa

由表2，表3可知，不考慮管內(nèi)混凝土的收縮徐變時，五種模擬方法計算的鋼管混凝土拱肋的應力和拱頂豎向變形稍有差異;考慮管內(nèi)混凝土的收縮徐變時，鋼管混凝土的變形和應力情況與不考慮時有顯著的變化。

3 結語

1)不考慮管內(nèi)混凝土收縮徐變的影響時，五種模擬方法都較合理。

2)考慮管內(nèi)混凝土收縮徐變的影響時，鋼管混凝土的變形和應力情況與不考慮時有顯著的差異，管內(nèi)混凝土收縮徐變對拱肋結構的影響較大。管內(nèi)混凝土在收縮徐變作用下，拱肋豎向變形加大，鋼管的壓應力顯著增加，混凝土的壓應力相應減小，這主要是因為在鋼管混凝土的粘結作用下，混凝土收縮徐變迫使混凝土中產(chǎn)生拉應力，在鋼管中產(chǎn)生壓應力，即在拱肋中造成內(nèi)力重分布，使管內(nèi)核心混凝土的壓應力減少，鋼管的壓應力增加。

3)鋼管內(nèi)的混凝土由于處于密閉的環(huán)境之中，加之受壓中鋼管的套箍約束作用使其處于三向受壓狀態(tài)，其收縮徐變問題較之普通混凝土結構更為復雜，現(xiàn)有的各種計算理論和各種規(guī)范的計算方法之間尚存在著較大的差異，鋼管混凝土結構的收縮徐變問題還有待進一步研究。

[1]陳寶春.鋼管混凝土拱橋設計與施工[M］.北京:人民交通出版社，1999.

[2]顧安邦.橋梁工程(下冊)[M］.北京:人民交通出版社，2006.