汽車過拱橋受力分析—汽車過拱橋受力分析圖

摘 要：鋼管混凝土是能夠大幅度提升拱橋跨度的組合結(jié)構(gòu)，充分利用鋼材與混凝土的材料力學(xué)性能，在我國大跨度拱橋建設(shè)中有著廣泛的應(yīng)用前景。以某高速公路跨度為508 m中承式鋼管混凝土拱橋為工程背景，通過有限元計算軟件整體模型與局部實體模型，結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求，對該橋成橋階段各構(gòu)件應(yīng)力、荷載效應(yīng)以及承載力進(jìn)行了模擬計算分析。結(jié)果表明：該橋各項設(shè)計指標(biāo)均滿足相應(yīng)規(guī)范要求，可為類似橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計與計算提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土拱橋;橋梁設(shè)計;實體模型;局部受力分析;

我國是橋梁大國，截至2021年底，全國公路橋梁數(shù)量已經(jīng)超過96萬座，居世界第一[1]。拱橋由于具有經(jīng)濟(jì)性與耐久性好、橋梁線形優(yōu)美等優(yōu)點，一直作為建造大跨徑橋梁的主要形式，拱橋尤其適用于多山地區(qū)跨越山谷建設(shè)的橋梁，其中鋼管混凝土拱橋為大跨徑拱橋應(yīng)用最多，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)融合了鋼與混凝土兩種材料的力學(xué)性能，混凝土填充鋼管提升鋼管管壁的穩(wěn)定性，鋼管的套箍效應(yīng)提高管內(nèi)混凝土強(qiáng)度，因而能大幅度提高拱橋的跨越能力[2]。

隨著大跨徑拱橋的應(yīng)用不斷增多，理論研究與建造技術(shù)也在工程實踐中取得了系列的成果，建立了鋼管混凝土拱橋設(shè)計理論基本體系。目前相關(guān)的設(shè)計指南、規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也在推陳出新以適應(yīng)大跨度鋼管混凝土拱橋的設(shè)計與建造[3,4,5],由于部分設(shè)計人員對鋼管混凝土拱橋的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范以及新技術(shù)還沒有較好地掌握和理解，存在對橋面系強(qiáng)健性、拱上立柱穩(wěn)定性重視不夠，方案設(shè)計時鋼管混凝土拱橋的局部連接受力分析模擬不準(zhǔn)確等問題[6]。

本文以某高速公路跨度為508 m的中承式鋼管混凝土拱橋作為工程背景，結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范使用ANSYS通用有限元軟件對該鋼管混凝土拱橋進(jìn)行整體與局部分析，對鋼管混凝土拱橋成橋階段各構(gòu)件應(yīng)力、荷載效應(yīng)以及承載力進(jìn)行計算分析，同時針對鋼管混凝土拱橋局部連接受力分析模擬精度不足等問題，進(jìn)行了拱座基礎(chǔ)、拱上立柱及肋間橫梁支撐架進(jìn)行了局部驗算，為后續(xù)鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)設(shè)計分析提供借鑒。

橋梁全長1 702 m, 其中主橋長528 m, 為中承式鋼管混凝土拱橋，計算跨徑為508 m, 矢高為123.25 m, 矢跨比為1/4.121 7,拱軸線為高次拋物線，拱肋為鋼管混凝土桁架式結(jié)構(gòu)，主拱的橫橋向中心間距為30 m, 單片拱肋采用變高度四管桁式截面，每片肋上弦、下弦均為2根?1 300 mm鋼管混凝土弦管，管內(nèi)混凝土采用C60自密實補(bǔ)償收縮混凝土，拱上立柱釆用雙肢鋼管混凝土柱，鋼管柱采用?813×20 mm, 橫橋向各柱肢分別焊接于拱肋弦管上，立柱間釆用X型橫聯(lián)連接，最高立柱下段灌C60混凝土，見圖1。

主拱圈鋼管采用Q420qD和Q345qC鋼材，屈服強(qiáng)度分別為420 MPa、345 MPa, 抗拉強(qiáng)度設(shè)計值分別為320 MPa、270 MPa; 主弦管內(nèi)灌注C60自密實補(bǔ)償收縮混凝土，混凝土軸心抗壓標(biāo)準(zhǔn)值38.5 MPa, 混凝土軸心抗壓設(shè)計值26.5 MPa。格子梁采用Q345qC,鋼材屈服強(qiáng)度345 MPa, 抗拉強(qiáng)度設(shè)計值270 MPa; 橋面板采用C40鋼釬維混凝土，抗折強(qiáng)度≥7.5 MPa。拱座封拱腳采用C50多錨點鋼纖維混凝土；交界墩各部件采用C40混凝土；拱座基礎(chǔ)采用C30混凝土。

恒載：主梁一期恒載分為格子梁鋼結(jié)構(gòu)部分、混凝土橋面板鋼底板及剪力鍵部分、橋面混凝土板部分；主梁二期恒載分為橋面鋪裝及附屬設(shè)施。

圖1 橋梁總體布置示意 下載原圖

活載：按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)公路-I級荷載進(jìn)行加載，六車道橫向布載，車道荷載橫向折減系數(shù)為0.55,縱向折減系數(shù)為0.97,按規(guī)范考慮汽車荷載沖擊系數(shù)。

溫度荷載：施工合龍溫度在20℃左右(允許溫度差±2°以內(nèi)),計算模型體系升溫26℃,降溫-29℃;梯度升溫取上主管升溫8℃,梯度降溫取上主管降溫-4℃;橋面梯度變溫參考《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2015)取值。

風(fēng)荷載：橋位區(qū)設(shè)計基本風(fēng)速為V10=24.5 m/s, 地表粗糙度定為D級。

某中承式鋼管混凝土拱橋的計算分析采用MIDAS/Civil 2021軟件進(jìn)行三維空間建立鋼管混凝土拱橋整體模型，其中主拱弦桿、腹桿、橫撐等采用梁單元模擬，吊桿和斜索采用桁架單元模擬，主梁鋼結(jié)構(gòu)采用梁單元模擬，橋面板采用板單元模擬。邊界條件：主橋各支座處以豎向彈性連接模擬，交界墩處設(shè)一般支承；根據(jù)施工過程，拱腳模擬為鉸接及固結(jié)，全橋有限元模型見圖2。

圖2 某中承式鋼管混凝土拱橋有限元模型 下載原圖

根據(jù)有限元模型計算結(jié)果統(tǒng)計得到拱肋關(guān)鍵截面內(nèi)力計算見圖3,鋼管混凝土偏心受壓構(gòu)件的承載能力根據(jù)《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計規(guī)范》(JTG/T D65-06-2015)采用“統(tǒng)一理論”計算，考慮重要性系數(shù)驗算鋼管混凝土拱肋主管關(guān)鍵性控制截面承載力，按式(1)進(jìn)行計算，計算結(jié)果見表1。

Nu=φlφeKpKdfscAsc≥γN (1)

圖3 拱肋關(guān)鍵截面內(nèi)力計算結(jié)果 下載原圖

式中：γ為橋梁結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)或抗震調(diào)整系數(shù)；N為壓彎構(gòu)件軸向方向設(shè)計值(103kN);φl為長細(xì)比折減系數(shù)；φe為彎矩折減系數(shù)；Kp為鋼管初應(yīng)力折減系數(shù)；Kd為混凝土脫空折減系數(shù)；fsc為鋼管混凝土組合軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計值(MPa);Asc為鋼管混凝土組合截面面積(m2)。

由圖3可以看出，(1)上弦管在最大軸力工況下，最大彎矩值為1 006.3 kN·m, 位于2L/8截面，最大軸力值為-52 082.2 kN,位于拱腳截面；(2)在最大彎矩工況下，最大彎矩值為1 196.4 kN·m, 位于拱腳截面，最大軸力值為-41 799.4 kN,位于L/8截面；(3)下弦管在最大軸力工況下，最大彎矩值為1 139.5 kN·m, 位于L/8截面，最大軸力值為-57 859.5 kN,位于拱腳截面；(4)在最大彎矩工況下，最大彎矩值為2 172.9 kN·m, 位于拱腳截面，最大軸力值為-39 061.4 kN,位于L/8截面。

由表1可以看出，拱肋關(guān)鍵截面內(nèi)力計算結(jié)果考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)后，(1)在最大軸力工況下，上弦管、下弦管拱肋截面安全系數(shù)最小值分別為1.14和1.09,均滿足安全系數(shù)大于1的要求；(2)在最大彎矩工況下，上弦管、下弦管拱肋截面安全系數(shù)最小值分別為1.20和1.44,均滿足安全系數(shù)大于1的要求。

表1 拱肋關(guān)鍵截面驗算結(jié)果 導(dǎo)出到EXCEL

吊桿采用抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa鋼絞線，吊桿型號為37?s15.2。根據(jù)有限元模型計算得到關(guān)鍵吊桿計算結(jié)果并統(tǒng)計分析見表2。

表2 關(guān)鍵吊桿有限元模擬驗算結(jié)果 導(dǎo)出到EXCEL

根據(jù)JTG/T D65-06-2015第5.8.1條規(guī)定，由表2可以看出，考慮綜合系數(shù)及重要性系數(shù)后，吊桿持久狀況最小安全系數(shù)為1.16,滿足規(guī)范要求。

支管各截面有限元計算分析見圖4。

由圖4可以看出，基本組合作用下拱肋腹桿最大壓應(yīng)力為-204.5 MPa, 最大拉應(yīng)力為175.7 MPa; 拱肋綴管最大壓應(yīng)力為-179.8 MPa, 最大拉應(yīng)力175.7 MPa; 肋間橫撐桿件最大壓應(yīng)力為-177.7 MPa, 最大拉應(yīng)力166.5 MPa; 以上應(yīng)力在考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)后，最大值為224.95 MPa小于鋼材強(qiáng)度設(shè)計值270 MPa, 均滿足規(guī)范要求。

圖4 支管各截面有限元計算分析 下載原圖

橋面梁采用鋼格構(gòu)梁體系，鋼主梁分析涉及到構(gòu)件有工字型橫梁、主縱梁、次縱梁及端橫梁靜力分析結(jié)果，其主要計算結(jié)果如表3所示。

表3 鋼主梁有限元計算驗算結(jié)果 導(dǎo)出到EXCEL

由表3可以看出，基本組合作用下最大拉應(yīng)力值為209.2 MPa, 位于工字形橫梁；最大壓應(yīng)力值為-207.5 MPa, 位于主縱梁；計算結(jié)果均小于鋼材強(qiáng)度設(shè)計值(270 MPa),滿足規(guī)范要求。

1號立柱承載能力為穩(wěn)定控制，安全系數(shù)為0.46<1,2號立柱承載能力為強(qiáng)度控制，安全系數(shù)為0.72<1,結(jié)果滿足規(guī)范要求。3號立柱較矮，按強(qiáng)度控制，按照軸心受壓構(gòu)件計算，考慮結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)后最大應(yīng)力為158.7 MPa<270 MPa, 計算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

根據(jù)JTG/T D65-06-2015對該橋使用階段整體彈性穩(wěn)定性進(jìn)行分析，計算結(jié)果見表4。

表4 全橋彈性穩(wěn)定性分析計算結(jié)果 導(dǎo)出到EXCEL

由表4可以看出，運營階段在恒載+活載組合工況下，結(jié)構(gòu)的一階失穩(wěn)穩(wěn)定安全系數(shù)為6.26,大于規(guī)范限值，結(jié)構(gòu)總體穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

依據(jù)《公路工程抗震規(guī)范》(JTG B02-2013)、《公路橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》(JTG/T 2231-01-2020)和《公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計規(guī)范》(JTG/T D65-06-2015)相關(guān)條文對主橋結(jié)構(gòu)抗震驗算。動力分析結(jié)果顯示：該橋第1階模態(tài)周期為7.588 s, 結(jié)構(gòu)有很好的自身耗能能力。在E1地震動作用下，交界墩、主拱肋承載能力滿足結(jié)構(gòu)不受損傷，可繼續(xù)使用的抗震性能目標(biāo)；E2縱向地震動作用下，主拱肋及其他構(gòu)件仍處于彈性狀態(tài)。

采用通用有限元軟件ANSYS建立實體有限元分析模型，混凝土結(jié)構(gòu)和土體均采用SOLID185實體單元進(jìn)行模擬?；炷梁屯馏w之間采用面-面接觸單元連接，采用剛體-柔體接觸，結(jié)構(gòu)剛度大于土體剛度，以結(jié)構(gòu)上的面為目標(biāo)面，采用TARGE170單元模擬；土體上的面為接觸面，采用CONTA173單元模擬；接觸對特性采用標(biāo)準(zhǔn)模式，即能夠傳遞法向壓力和切向摩擦力，不傳遞法向拉力，接觸表面可以分離脫空，見圖5。

由圖5可以看出，(1)在最大彎矩工況下，西岸基底豎向應(yīng)力為741 MPa, 東岸基底豎向應(yīng)力為760 MPa, 最小彎矩工況下，西岸基底豎向應(yīng)力為701 MPa, 東岸基底豎向應(yīng)力為810 MPa; (2)在最大軸力工況下西岸基底豎向應(yīng)力為721 MPa, 東岸基底豎向應(yīng)力為800 MPa, 最小軸力工況下西岸基底豎向應(yīng)力為722 MPa, 東岸基底豎向應(yīng)力為742 MPa, 計算結(jié)果均小于地基承載能力臨界值(850 MPa),滿足規(guī)范要求。

圖5 拱座基礎(chǔ)局部分析模型及結(jié)果 下載原圖

采用通用有限元軟件ANSYS建立實體有限元分析模型，限于篇幅，給出部分計算結(jié)果見圖6。由圖6可以看出，立柱柱身最大應(yīng)力為250 MPa, 位于立柱橫撐下端與立柱柱身交接點處，為應(yīng)力集中，除去應(yīng)力集中外，整體較大應(yīng)力為200 MPa; 主弦管與立柱交界處，最大應(yīng)力為248 MPa, 位于立柱橫撐下端與立柱柱身交接點處，為應(yīng)力集中，除去應(yīng)力集中外，整體較大應(yīng)力為50 MPa, 拱上立柱計算結(jié)果均小于鋼材容許應(yīng)力值，滿足規(guī)范要求。

拱上立柱屈曲模態(tài)和穩(wěn)定系數(shù)分析中，1階屈曲類型為立柱整體屈曲，穩(wěn)定系數(shù)為6.004;2階屈曲類型為支座頂側(cè)加勁板屈曲，穩(wěn)定系數(shù)為27.325,穩(wěn)定系數(shù)均大于4,滿足要求。

采用通用有限元軟件ANSYS建立實體有限元分析模型，限于篇幅，給出部分計算結(jié)果見圖7。由圖7可以看出，支座架最大應(yīng)力為246 MPa, 位于橫橋向支座架與肋間橫梁頂部綴管相交處，為應(yīng)力集中。除去應(yīng)力集中外，整體較大應(yīng)力為191 MPa, 均小于鋼材容許應(yīng)力值，滿足規(guī)范要求。

圖6 拱上立柱局部分析模型及結(jié)果 下載原圖

圖7 肋間橫梁支座架局部分析模型及結(jié)果 下載原圖

肋間橫梁支座架屈曲模態(tài)和穩(wěn)定系數(shù)分析中，1階屈曲穩(wěn)定系數(shù)為13.893;2階屈曲穩(wěn)定系數(shù)為13.940，穩(wěn)定系數(shù)均大于4，滿足要求。

本文針對大跨中承式鋼管混凝土拱橋的設(shè)計進(jìn)行計算研究，通過有限元計算軟件Midas/Civil和ANSYS建立了鋼管混凝土拱橋整體模型和局部實體模型，結(jié)合有關(guān)規(guī)范要求，對鋼管混凝土拱橋成橋階段各構(gòu)件應(yīng)力、荷載效應(yīng)以及承載力進(jìn)行了計算，同時對鋼管混凝土拱橋的拱座基礎(chǔ)、拱上立柱及肋間橫梁支座架進(jìn)行了局部驗算，研究結(jié)果表明：

(1)該鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)整體與局部的各項設(shè)計指標(biāo)均滿足相應(yīng)規(guī)范要求；

(2)其計算結(jié)果可為類似橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計與計算提供參考。

[1] 交通運輸部.2021年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報[N].中國交通報，2021,05-19(002).

[2] 馬歡，徐寶林.蘇龍珠黃河特大橋結(jié)構(gòu)受力分析[J].公路，2021,66(6):209-213.

[3] DB51/T 2513-2018 鋼管混凝土梁橋技術(shù)規(guī)程[S].

[4] GB 50923-2013 鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范[S].

[5] JTG/T D65-06-2015 公路鋼管混凝土拱橋設(shè)計規(guī)范[S].

[6] 劉兆光，張合清，羅嗣碧.大跨徑鋼管混凝土拱橋設(shè)計技術(shù)要點[J].公路，2020,65(2):135-139.

[7] 陳寶春，韋建剛，周俊，劉君平.我國鋼管混凝土拱橋應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J].土木工程學(xué)報，2017,50(6):50-61.

[8] 曹海順，鄢芳華.中承式系桿拱橋結(jié)構(gòu)體系分析[J].公路，2020,65(2):125-129.

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