斜靠式拱橋有限元靜力分析

申富林

（廣州鐵路職業技術學院， 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 中的數據可知：

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，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，本文僅列出部分數據。

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，在成橋狀態時，橋梁各結構應力均不大于相應的設計強度，符合規范要求。