斜靠式拱橋有限元靜力分析

申富林

（廣州鐵路職業(yè)技術學院， 廣州 510006）

0 引言

斜靠式拱橋是一種新型拱橋受力結構體系，主要依靠兩片主拱和兩片斜靠拱組合成[1～2]。該類橋梁的主要承重結構為中間平行的主拱肋，傾斜的斜靠拱肋承受人群以及非機動車道的荷載，并增強抗扭轉和傾覆的能力。斜靠拱與主拱通過橫撐將連接成一個側向剛度強大的空間穩(wěn)定體系，與一般梁拱組合體系橋相比，斜靠式拱橋的最大不同在于主拱間未設橫撐，依靠斜靠拱來代替風撐帶來的穩(wěn)定[3～4]。

1 有限元模型

本文選選取的斜靠式鋼筋混凝土拱橋跨徑為68m，主拱以及斜靠拱的拱軸線均為懸索線，其中主拱失跨比為1:4.5，斜靠拱在拱圈平面內的失跨比1:4.2；在主墩到跨中處全橋寬度由43.600m 變化至55.004m；橋梁下部結構采用承臺柱式橋墩以及鉆孔灌注樁基礎。

采用大型商業(yè)有限元軟件Midas/civil 建立整體模型，該模型共有單元1894 個，包括有空間桁架，空間梁以及板單元三種。桁架單元運用于主拱吊桿以及斜拱吊桿，共有75 個。空間梁單元運用于主拱，斜拱端橫梁等，共有1252 個單元。板單元運用于橋面板，共567 個單元。斜靠拱處支座和端橫梁處的支座的支撐方式采用節(jié)點彈性支撐，并且僅存在豎向約束。由于主拱拱腳和端橫梁之間存在共同節(jié)點，因此不需要采用剛性連接[5～6]。

2 施工過程主要構件受力分析

該橋梁采用滿堂支架的施工方法，分為三次張拉拱肋與主梁和橋面系之間的吊桿。由于篇幅限制，本文僅給出部分工況下的重要截面彎矩值。

從下表1 中的數(shù)據(jù)可知：

1）在主拱拱腳處的彎矩由于是拱上部受拉力作用，因此彎矩絕對值逐漸變小；主拱跨中位置為下面受拉，拱腳彎矩處的絕對值較大。

2）主拱混凝土和鋼筋的彎矩具有一樣的趨勢，是因為在有限元軟件中兩個具有節(jié)點相同的梁單元的轉角位移是一致的，因此主拱處的混凝土和鋼筋的彎矩具有相同的趨勢，只是由于兩者剛度不同導致數(shù)值等比例放大或縮小。

3）在鋼管內混凝土強度達到95%之后，主橋橋面板及濕接縫澆筑完成后，分別進行吊桿力的第一次張拉、第二次張拉和第三次張拉，在施加二期恒載之后結構才形成拱結構，此時吊桿的張拉力連接拱和梁的作用，因此，此時的索力值即為成橋索力。

3 成橋靜力分析

成橋即為加上二期恒載后的狀態(tài)，橋梁主要結構的彎矩和吊桿索力如表1、表2 所示。由于篇幅限制，本文僅列出部分數(shù)據(jù)。

表1 施工過程主要構件彎矩分布表（單位：kN.m）

表2 實際成橋索力以及設計索力對比表（單位：kN）

從上表可知，經驗算的成橋索力同設計時相符合。

1)主拱吊桿和斜拱吊桿最大拉應力均小于強度標準值1670MPa；

2)主拱鋼管R235 抗拉壓強度設計值為195 MPa；HRB335 抗拉壓強度設計值為280 MPa，因此主拱鋼管應力滿足設計要求；

3)主拱C50 混凝土軸心抗壓強度標準值為22.5MPa，抗拉強度標準值為1.82MPa，因此主拱混凝土應力滿足設計要求；

4)端橫梁，梁格系，斜拱以及結構橫撐處的R235 抗拉壓強度標準值均為194 MPa，HRB335 抗拉壓強度標準值均280 MPa，因此端橫梁，斜拱應力滿足設計要求。

4 結語

斜靠式拱橋是一種較為復雜的空間梁拱組合體系橋，該種橋梁受力復雜，除了具備一般拱橋受力特點外，還具有空間效應。本文通過對斜靠式鋼筋混凝土拱橋的整體進行計算之后，驗算得到的成橋索力同設計索力相符合，在成橋狀態(tài)時，橋梁各結構應力均不大于相應的設計強度，符合規(guī)范要求。