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控和驗算有利于對施工時拱腳裂縫的產生起到防治作用?；诖朔N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的連續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?？傮w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范規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。