鋼—混系桿拱橋拱腳施工過程穩定性模擬分析

■莫家鵬

（廣韶高速公路改擴建管理處，廣州 510630）

系桿拱橋拱腳作為系梁和拱肋的連接部位，其受力更加復雜，拱橋施工過程中拱腳穩定與否對于拱橋整體具有決定性作用[1-4]。 國內學者對此進行了一些研究，楊高平等[5]、魏俊鋒[6]采用ANSYS 軟件建立拱腳有限元模型，分析了拱腳在拱肋張拉吊桿前后應力分布規律， 表明拱腳受力以縱向壓力為主，局部出現拉應力，應力分布較為合理，可滿足工程需要。 張明等[7]以某地區過河大橋為例，采用有限元軟件MIDAS 建立了拱腳的局部模型，通過模擬拱腳在設計荷載下的受力情況，探析拱腳應力狀態，并提出了改善拱腳應力狀態的相關措施。 彭桂瀚等[8]對某大橋拱腳進行有限元分析，結果表明，拱腳總體受力合理，但同時也存在薄弱點，可采用局部鋼筋網加強的方法進行加固處理。 本文以鋼—混系桿拱橋拱腳施工為研究對象，采用有限元建模的方法分析拱腳在成橋過程中以及成橋10 年的應力變化，研究結果可為類似工程拱腳受力分析提供參考和借鑒。

1 工程概況

某高速公路預應力鋼—混系桿拱橋，上部結構采用112 m 預應力混凝土系桿拱，其中箱型系梁總長度為116 m，系桿拱最大高度值為26 m，矢跨比為1∶4.8。該拱橋共分為13 個節段，最邊上兩節段最長，中間節段略短。 拱腳的整體結構和尺寸示意圖如圖1 所示。

圖1 拱腳構造示意圖

2 建立有限元模型

2.1 模型建立過程

采用大型有限元軟件Midas/Civil 對鋼—混系桿拱橋拱腳進行數值建模，如圖2 所示。 為模擬拱腳的受力， 先建立完整的橋梁模型， 再從整體Midas/Civil 模型中提取出對應工況下的系梁和拱肋處的荷載值，包括軸力和Y、Z 向剪力以及Y、Z向彎矩。 該拱腳整體模型共有單元128766 個，節點31462 個。 表1 給出了混凝土和鋼絞線物理力學參數，其中采用的鋼絞線的最小抗拉強度值大于1860 MPa。

圖2 數值模型圖

表1 混凝土和鋼絞線物理力學參數

2.2 施工階段

拱腳施工階段共分為6 個階段，每個階段的具體內容為：（1）階段一：澆筑拱肋階段；（2）階段二：拆除拱肋支架階段；（3）階段三：吊桿初張拉階段；（4）階段四：拆除系梁支架；（5）階段五：二期施工階段；（6）階段六：吊桿終張拉階段。

3 拱腳受力數值模擬分析

3.1 成橋過程中拱腳受力分析

在拱肋澆筑過程中， 拱腳承受著來自鋼束、混凝土自重以及拱肋支架自重等多方面的荷載作用，為了對拱腳6 個施工階段的受力進行分析， 從整體Midas/Civil 模型中提取出該工況下系梁和拱肋處的荷載值，如表2 所示，施加到拱腳模型之上。

表2 拱肋澆筑完成后的系梁和拱肋荷載值

拆除拱肋支架后，從整體Midas/Civil 模型中提取出該工況下系梁和拱肋處的荷載值施加到拱腳模型之上，如表3 所示。圖4 為拆除拱肋支架之后的拱腳主拉壓應力云圖， 由圖可知， 拆除拱肋支架之后，拱腳位置處主拉應力值基本處于-6.0～40.0 MPa，同樣在有預應力鋼束交匯處出現主拉應力集中現象，但占比較小；在拱腳位置的最大主壓應力值為15.8 MPa，且壓應力整體比較均勻，滿足規范要求。

表3 拆除拱肋支架后的系梁和拱肋荷載值

圖4 施工階段二拱腳應力云圖

第三階段是對拱橋進行吊桿初張拉，從整體數值模型中提取出該工況下系梁和拱肋處的荷載值施加到拱腳模型之上，如表4 所示。 圖5 為吊桿初張拉后的拱腳主拉壓應力云圖，由圖可知，吊桿初張拉后拱腳主拉應力變化不明顯，拱腳位置處主拉應力值基本處在-5.7～38.0 MPa，同樣在有預應力鋼束交匯的拱肋與系梁相交處出現主拉應力集中現象，但占比較小；在拱腳位置的主壓應力值基本處在-56.7～12.5 MPa，滿足規范要求。

表4 吊桿初張拉后系梁和拱肋荷載值

圖5 施工階段三拱腳應力云圖

拆除系梁支架后，提取出該工況下系梁和拱肋處的荷載值施加到拱腳模型上， 如表5 所示。 圖6為拆除系梁支架之后的拱腳主拉壓應力云圖，由圖可知，拆除系梁支架后，整體受力良好，拱腳處主拉應力值基本處在-6.7～36.4 MPa，在有預應力鋼束交匯的位置出現主拉應力集中現象， 但占比仍較小，說明此時系梁充分發揮了作用；在拱腳位置的主壓應力值基本處在-55.7～13.9 MPa，滿足規范要求。

表5 拆除系梁支架后的系梁和拱肋荷載值

圖6 施工階段四拱腳應力云圖

拆除系梁支架后進行橋面系施工，提取此時系梁和拱肋處的荷載值施加到拱腳模型上，如表6 所示。 圖7 為橋面系施工之后（即二期施工后）的拱腳主拉壓應力云圖，由圖可知，此時拱腳拉應力發生變化， 拱腳處主拉應力值基本處在-7.8～40.7 MPa，拉應力仍主要集中在預應力鋼束交匯的位置，但占比不大；在拱腳位置的主壓應力值基本處在-68.1～12.2 MPa，壓應力整體水平增大，但仍能夠滿足規范要求。

表6 二期施工完成后的系梁和拱肋荷載值

圖7 施工階段五拱腳應力云圖

在吊桿終張拉后，從整體模型中提取出吊桿終張拉后系梁和拱肋處的荷載值施加到拱腳模型上，如表7 所示。 圖8 為吊桿終張拉后的拱腳主拉壓應力云圖，由圖可知，吊桿終張拉后，拱腳位置主拉應力值基本處在-5.9～24.7 MPa，在預應力鋼束交匯的位置仍出現主拉應力集中現象，但占比很小；在拱腳位置的主壓應力值基本處在-51.4～14.5 MPa，相比吊桿未張拉時，拉壓應力水平均有所降低，滿足規范要求。 此外，觀察圖3～8 可知，在拱腳的設計中拱肋與相交的部位是以圓弧的方式過渡的，有利于減小應力集中現象的產生。

圖3 施工階段一拱腳應力云圖

表7 吊桿終張拉完成后的系梁和拱肋荷載值

圖8 施工階段六拱腳應力云圖

3.2 成橋10 年后的拱腳受力分析

鋼—混系桿拱橋成橋10 年后， 從模型中提取出此時系梁和拱肋處的荷載值施加到拱腳模型上，如表8 所示。 圖9 為拱橋成橋10 年之后的拱腳主拉壓應力云圖，由圖可知，拱橋成橋10 年后，拱腳位置主拉應力值基本處在-2.5～12.8 MPa，拱腳整體拉應力分布更加均勻， 不再發生拉應力集中現象；在拱腳位置的主壓應力值基本處在-11.0～3.1 MPa，且壓應力整體同樣比較均勻，滿足規范要求。

表8 成橋10 年后的系梁和拱肋荷載值

圖9 成橋10 年后的拱腳應力云圖

4 結論

以鋼—混系桿拱橋拱腳施工為研究對象，采用有限元建模的方法分析拱腳在成橋過程中以及成橋10 年后的應力變化， 得到以下結論：（1）鋼—混系桿拱橋在成橋的過程中，拱腳位置的拱肋與系梁交接處，由于鋼束在此交匯導致成橋過程中出現拉應力集中現象，但拉應力集中占比一般較小，能滿足規范要求，施工過程中可在該位置設置錨墊板予以解決；（2）鋼—混系桿拱橋在成橋的過程中，拱腳位置壓應力幾乎沒有出現應力集中現象，且壓應力整體比較均勻，滿足規范要求；（3）在拱腳的設計中拱肋與相交的部位是以圓弧的方式過渡的，有利于減小應力集中現象的產生；（4）鋼—混系桿拱橋成橋10 年之后，拱腳位置主拉應力值基本處在-2.5～12.8 MPa，在拱腳位置的主壓應力值基本處在-11.0～3.1 MPa，滿足規范要求；且拱腳整體拉、壓應力分布均勻，沒有拉應力集中現象，說明拱腳受力良好。