鋼管混凝土拱梁組合體系橋梁施工階段拱座應(yīng)力分析

邵小軍

摘要：鋼管混凝土拱梁組合橋梁施工采用整體吊裝方案時，整體吊裝后的系梁內(nèi)勁性骨架處于空鋼管階段，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜。文章以某實際橋梁為例，采用ABAQUS建立局部有限元模型，對拱肋與系梁勁性骨架連接部位的應(yīng)力分布特點(diǎn)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：拱肋與系梁勁性骨架連接節(jié)點(diǎn)應(yīng)力在允許范圍內(nèi)，沒有出現(xiàn)局部屈曲現(xiàn)象;拱肋最大Mises等效應(yīng)力出現(xiàn)在下端管的下邊緣與系梁加勁骨架上鋼板交界處;系梁勁性骨架節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大Mises等效應(yīng)力出現(xiàn)在第一根斜腹桿與下弦管連接節(jié)點(diǎn)部位，離索力張拉端越遠(yuǎn)，節(jié)點(diǎn)局部應(yīng)力集中程度越小。建議在系梁鋼管桁架的弦管內(nèi)填充混凝土，以增加整個系梁勁性骨架的剛度，并減小連接節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中程度。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土拱梁組合橋梁;拱座;勁性骨架;局部應(yīng)力;ABAQUS

中圖分類號：U443.23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.022

文章編號：1673-4874（2019）09-0076-02

0引言

隨著鋼管混凝土在拱橋中的大量應(yīng)用，由鋼管混凝土拱肋、混凝土系梁、吊桿、橫梁及橋面系形成的拱梁組合體系橋梁具有受力合理、外形美觀的特點(diǎn)，在我國得到了廣泛的應(yīng)用，特別是位于軟弱地基橋位的中小跨徑城市橋梁.通常，此類拱梁組合體系橋梁的施工采用先梁后拱方案，先架設(shè)主梁，然后在主梁上拼裝拱肋。但由于某些原因，無法采用先梁后拱方案，而采用將鋼管拱肋和主梁勁性骨架先焊接成一體，整體浮運(yùn)到橋位，然后現(xiàn)澆混凝土系梁，最后灌注拱肋混凝土的施工方法，這種施工方法可免去在水中搭設(shè)腳手架，而且施工速度也快。

在整體吊裝拱肋和系梁勁性骨架后，為避免系梁產(chǎn)生過大的水平推力，往往先需要張拉一定量的系桿索力。此時，拱肋和勁性骨架處均為空鋼管，兩者連接構(gòu)造和受力復(fù)雜，采用桿系結(jié)構(gòu)計算很難得到實際的應(yīng)力分布情況.因此，往往對此拱腳部位進(jìn)行模型試驗或數(shù)值分析。本文以某實際拱梁組合體系橋梁為背景，采用有限元分析方法，對整體吊裝后的連接部位進(jìn)行分析，了解其局部應(yīng)力的分布規(guī)律和大小，并提出相應(yīng)的構(gòu)造措施，為相關(guān)類似工程提供參考。

1工程概況

某橋梁主橋上部結(jié)構(gòu)采用下承式鋼管混凝土系桿拱結(jié)構(gòu)形式，全長404.2m，橋跨布置為[4x25+3x25+98.16（計算跨徑95m）+5x25]m.下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩，樁基接承臺群樁基礎(chǔ)，橋梁總體布置如圖1所示。主拱肋計算矢跨比為1/5，拱肋采用啞鈴型鋼管混凝土截面，拱肋高度為2.5m，鋼管外徑為100cm，壁厚16mm，混凝土系梁的勁性骨架是鋼管桁架，由弦桿鋼管斜腹桿、豎腹桿、鋼管立柱，橫向加勁肋和上下矩形加勁鋼板組成。其中拱肋、加勁板及勁性骨架主桁架弦桿鋼管等鋼材采用Q345D鋼，其它構(gòu)件采用Q235B鋼。拱肋與勁性骨架的連接具體構(gòu)造如圖2所示。

2有限元模型

采用大型通用有限元程序軟件ABAQUS建立計算模型，模型包括拱座7.0m長啞鈴型主拱肋（含內(nèi)外加勁肋），系梁內(nèi)加勁桁架取拱座變截面6m內(nèi)桁架區(qū)段、鋼管立柱、上下矩形加勁鋼板及其附屬加勁肋。工程中鋼管壁厚遠(yuǎn)小于構(gòu)件尺寸，比較適合采用板殼單元，采用四節(jié)點(diǎn)殼單元（S4R）進(jìn)行分析。模型共劃分單元119975個，節(jié)點(diǎn)119734個。有限元模型如圖3所示，模型x方向為順橋向，y為豎向，z為橫橋向。

有限元模型施加荷載通過全橋桿系模型計算，按拱肋最不利荷載組合得到，在拱肋和縱梁選取斷面加載。其中，主拱肋軸壓力為2290kN，彎矩-133.99kN·m，系梁勁性骨架上弦管軸拉力為30kN，下弦管軸壓力為30kN，系桿索力為960kN。在拱肋、加勁梁加載面質(zhì)心位置建立節(jié)點(diǎn)，與加載板上其他各點(diǎn)形成剛臂單元。在加載板上施加軸力、剪力、彎矩等節(jié)點(diǎn)荷載;對于系桿索力，按照實際應(yīng)力對錨墊板施加面荷載。模型約束條件為底部為固結(jié)約束端。

3計算結(jié)果及分析

圖4為主拱肋鋼管Mises等效應(yīng)力云圖，最大值出現(xiàn)在主拱肋下端管的下邊緣與加勁梁上鋼板交界處，為69.3MPa，小于鋼管屈服應(yīng)力345MPa。

下頁圖5為系梁鋼管勁性骨架的Mises等效應(yīng)力云圖。從應(yīng)力云圖中可以明顯看出，系梁勁性骨架各腹桿與弦桿連接節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力集中很明顯，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在第一根斜腹桿與下弦管連接節(jié)點(diǎn)部位，為247MPa，由此可見，為減小連接節(jié)點(diǎn)處的局部集中應(yīng)力，在下弦管內(nèi)填充混凝土是一種比較好的辦法.對于勁性骨架的組成構(gòu)件，如上下鋼板、立柱及弦管鋼管、橫撐、等肢角鋼等，最大等效應(yīng)力為162MPa。

為了解張拉的部分系桿索力沿勁性骨架的傳力途徑，選取勁性骨架上弦縱向鋼管沿橋梁縱向連線作為1、2號路徑;下弦縱向鋼管沿橋梁縱向連線作為3、4號路徑;上側(cè)矩形加勁鋼板沿縱向軸線連線作為5號路徑;勁性骨架靠近預(yù)應(yīng)力張拉端豎向鋼管自下而上作為6號路徑;勁性骨架靠近預(yù)應(yīng)力張拉端斜向鋼管自下而上作為7號路徑。如圖6所示。

圖7為各構(gòu)件的應(yīng)力分布情況。從圖7（a）中可以看出，在彎矩、剪力及管內(nèi)預(yù)應(yīng)力的共同作用下，勁性骨架下弦鋼管為主要受力桿件，縱向弦管Mises等效應(yīng)力介于5-247MPa之間，勁性骨架鋼管桁架結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)明顯，在每個節(jié)點(diǎn)連接部位均出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力最大值發(fā)生在靠近預(yù)應(yīng)力張拉端的勁性骨架下弦節(jié)點(diǎn)處，離索力張拉端越遠(yuǎn)，節(jié)點(diǎn)局部應(yīng)力集中程度越小。從圖7（b）中可以看出，拱肋與系梁勁性骨架連接處矩形鋼板Mises等效應(yīng)力介于2.3-42.5MPa之間，應(yīng)力突變出現(xiàn)在與拱肋連接部位、系梁勁性骨架連接處的橫向加勁肋部位，表明最大應(yīng)力出現(xiàn)在靠預(yù)應(yīng)力張拉端與拱肋的交界線處。從圖7（c）、7（d）中可以看出，系梁勁性骨架豎向和斜向支管Mises等效應(yīng)力介于10-120MPa之間，總體而言，應(yīng)力水平在70MPa左右，由于連接節(jié)點(diǎn)局部應(yīng)力集中的原因，應(yīng)力最大值發(fā)生在靠近預(yù)應(yīng)力張拉端的勁性骨架下弦節(jié)點(diǎn)處。

4 結(jié)語

本文通過建立某鋼管混凝土拱梁組合體系橋梁的有限元局部模型，對其拱肋與勁性骨架系梁連接部位在關(guān)鍵施工階段的應(yīng)力分布特點(diǎn)進(jìn)行了分析，結(jié)果如下：

（1）為解決鋼管混凝土拱梁組合體系橋梁施工過程中支架的搭設(shè)問題，采用將拱肋與系梁勁性骨架焊接進(jìn)行整體吊裝的方法是可行的，拱肋與系梁勁性骨架連接節(jié)點(diǎn)應(yīng)力在允許范圍內(nèi)，沒有出現(xiàn)局部屈曲現(xiàn)象。

（2）拱肋最大Mises等效應(yīng)力出現(xiàn)在下端管的下邊緣與系梁加勁骨架上鋼板交界處。系梁勁性骨架出現(xiàn)明顯的鋼管桁架結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，連接節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大Mises等效應(yīng)力出現(xiàn)在第一根斜腹桿與下弦管連接節(jié)點(diǎn)部位，離索力張拉端越遠(yuǎn)，節(jié)點(diǎn)局部應(yīng)力集中程度越小。

（3）工程實際中，在整體吊裝拱肋與系梁勁性骨架之前，有必要對系梁勁性骨架進(jìn)行加勁處理。建議在鋼管桁架的弦管內(nèi)填充混凝土，不但可增加整個系梁勁性骨架的剛度，而且可以減小連接節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象。