上承式鋼管混凝土拱橋拱腳局部應力分析

石樺睿

長沙理工大學 湖南 長沙 410114

鋼管混凝土拱橋的拱腳是整座橋梁中至關重要的一部分，它在施工過程中和成橋后承擔著不同的重要作用。對于上承式鋼管混凝土拱橋，拱腳主要承受軸力和彎矩的作用，又由于拱腳處受力比較復雜，而拱腳處的計算分析對此處裂縫的預防和控制起著關鍵作用，近年來相關學者對拱腳處進行了一系列研究。張棟培[2]采用程序算法建立拱腳局部模型，分析不同溫度工況下拱腳局部應力的變化情況，得到溫度對拱腳應力變化的影響，并由此提出控制拱腳開裂的措施；姜自奇[3]利用Midas civil建立了變截面鋼管混凝土桁架拱橋及其拱腳三維模型，對拱腳進行了在外荷載以及結構自重作用下的應力分析，并提出拱腳抗裂的預防措施；馬坤全[4]采用8節(jié)點任意六面體等參單元建立了拱腳局部模型，并分析了拱腳在主力荷載作用下空間應力分布特性，最后與實驗結果基本一致。綜合以上論述，國內大多研究都是在既定情況下對拱腳進行的應力分析，而在橋梁施工過程中對拱腳局部應力分析的研究較少。在施工工程中對拱腳的應力進行實時監(jiān)控和驗算有利于對施工時拱腳裂縫的產生起到防治作用。基于此種不足，本文對施工過程中最不利荷載工況下的拱腳局部應力進行分析。

1 工程總體概況

1.1 工程概況

本文選取涂乍河特大橋作為研究對象，該橋凈跨252m，兩側橋跨分別為2×35m的上承式鋼管混凝土拱橋，橋面系布置為先簡支后連續(xù)的連續(xù)T梁，橋面總寬度為12m，主拱圈采用兩條對稱拱肋，整座橋橫跨涂乍河，左側為保靖側，右側為涂乍側。總體布置圖如圖1所示。

圖1 橋梁總體布置圖

1.2 拱腳結構

拱腳主要由以下幾個部件構成：拱座、預埋鋼管、連接鋼管、上部鋼管、封腳處混凝土以及鋼管內部灌注混凝土。其中，拱座和封腳混凝土采用C55混凝土，上、下弦桿以及腹桿和橫撐均采用Q345鋼材，鋼管內部泵送C55混凝土。根據對稱性，取保靖側上游處拱腳進行研究分析，拱腳處各控制截面如圖2、3所示。

圖2 拱腳細部構造

圖3 拱腳控制截面

2 建立有限元模型

2.1 有限元模型

采用Midas civil建立全橋的有限元模型，全橋主要采用梁單元模擬，索單元采用桁架單元模擬，全橋一共劃分為15個施工階段，拱腳在封腳前采用鉸接模擬，封腳后采用固結模擬，交界墩采用固結模擬，其他內部連接采用彈性連接中的剛性連接模擬。采用Midas FEA 建立拱腳的局部模型，利用混合四面體網格劃分實體單元，拱座底部采用固結模擬，拱腳端部上、下弦桿和腹桿控制截面處采用剛性連接模擬。模型如圖4、5所示：

圖4 全橋有限元模型

圖5 拱腳局部模型

2.2 最不利荷載工況的確定

從Midas civil中按照施工階段依次提取出1、2、5、6、9、10號截面的軸力和彎矩，不同施工階段的彎矩和軸力變化圖如下圖6所示。由圖可知，隨著施工階段的變化，上弦桿彎矩和軸力總體呈現逐漸變大的趨勢，下弦桿的軸力和彎矩也是逐漸變大，腹桿的彎矩和軸力變化幅度不大。為了研究封腳前后的最不利工況[5]，選取灌注鋼管混凝土為工況一，完成二期鋪裝為工況二。

圖6 彎矩/軸力變化圖

圖7 工況一拱座最大拉、壓應力

圖8 工況二拱座最大拉、壓應力

圖9 工況二封腳混凝土最大拉、壓應力

根據已選擇的工況，從Midas civil里提取出1、2、5、6、9、10號截面的內力，如下表所示。局部模型中荷載的方向應與整體模型中的荷載方向保持一致，確保拱腳局部受力與整體模型中保持一致。

表1 控制截面內力

3 各工況應力計算分析

3.1 工況一計算結果

混凝土作為一種脆性材料，滿足脆性破壞理論，在分析過程中主要采用第一強度理論，即最大拉應力理論來判斷拱腳處混凝土的最大拉應力是否超過規(guī)范規(guī)定的混凝土抗拉強度標準值，若混凝土的最大拉應力不超過混凝土本身的抗拉強度標準值，則材料不會發(fā)生斷裂。鋼材的應力分析不同于混凝土，在FEA中主要查看Von Mises應力，Von Mises應力以第四強度理論為基礎，綜合考慮第一、第二、第三主應力的一種等效應力，其本構模型在分析金屬材料的疲勞和破壞中應用較多，因此用于分析鋼材應力[6]。由于篇幅限制，本文僅列舉出拱座混凝土最大拉應力、最大壓應力的應力分析結果，如下圖所示（正值表示拉應力，負值表示壓應力，單位：MPa）。

由上述計算結果分析可知，拱座的最大拉應力為2.34MPa，位于預埋段鋼管與拱座交接處；最大壓應力為-10.80MPa，同樣位于預埋段鋼管與拱座交接處。由于拱座的最大拉應力未超過文獻[1]所允許的應力值，所以拱腳應力符合要求，不會發(fā)生斷裂。

3.2 工況二計算結果

工況二結果為拱座混凝土和封腳混凝土最大拉應力、最大壓應力的應力分析，如下圖所示。根據結果分析可知，拱座的最大拉應力為1.31MPa，位于拱座上表面左下方棱邊處；最大壓應力為-10.93MPa，位于拱座上表面下方棱邊處。封腳混凝土的最大拉應力為6.21MPa，位于腹桿與拱座交接處，超過規(guī)范所允許的混凝土抗拉強度標準值2.74MPa，但由于最大應力值只占據了整個拱腳應力分布的極少部分，且本文分析過程中采用的是素混凝土模型，而實際施工中拱腳處混凝土進行了配筋處理，所以從整體分析，封腳混凝土處應力滿足要求。

4 結論

根據第三部分應力計算結果可以看出：兩種工況下拱座混凝土的最大拉應力均未超過文獻[1]的允許應力；封腳處的混凝土最大拉應力達到了6.21MPa，局部區(qū)域應力值超過了文獻[1]的允許應力，但考慮實際施工工程的配筋因素以及最大拉應力值所占比極小，因此，封腳處混凝土受力也滿足要求；拱座和封腳處混凝土的最大壓應力較大，但均為超過允許值，拱座混凝土和封腳混凝土主要以受壓為主，整個拱腳在最不利工況中受力合理。