桑坝大桥拱桥支架有限元分析

陈伟刚 黄 勇

1 工程概况

贵州省正安县桑坝大桥是一座钢筋混凝土箱形截面悬链式拱桥。拱圈净跨为115 m,矢跨比为1/5,拱轴系数m=1.756,桥梁全宽9.0 m,其中车行道7.0 m,两侧人行道及栏杆各1.0 m,拱圈截面宽度为7.0 m,拱圈截面高度为2.0 m。拱圈为单箱双室截面,施工方法为拱架现浇。本文针对主拱圈施工过程中拱架的静力进行有限元分析。

2 施工方案

2.1 拱架的总体布置

本桥拱架由贝雷钢桁架悬臂拼装而成。为了适应悬链线形拱圈的形状,在一定位置插入特制的梯形钢桁架(见图1),最后形成一个折线形的贝雷钢拱架。拱架跨度为112.7 m。

本桥的拱架由17排桁架组成,每排桁架由38片贝雷桁片,8个梯形架和2个拱脚构架组成,每排桁架之间的中心距离为0.45 m,上、下弦杆平面内布置贝雷桁架的标准支撑架作为上、下平联,以确保桁架弦杆杆件的面外整体稳定承载力和桁架结构的整体稳定承载力。在桁架竖腹杆上布置标准支撑架作为横向(径向)连接系,以确保各排桁架受力的均匀性和拱架结构的整体性。

2.2 拱架的拼装及主拱圈混凝土的浇筑顺序

1)用临时扣索挂拱架进行悬臂拼装;

2)拱架合龙后解除全临时扣索,形成双铰拱的拱架;

3)安装拱脚上、下弦杆,形成无铰拱拱架;

4)安装支架及模板;

5)按拱圈底板及下马蹄混凝土重量1.2倍的试验荷载对拱架进行荷载试验;

6)浇筑主拱圈底板及下马蹄混凝土;

7)浇筑腹板及横隔板混凝土;

8)浇筑主拱圈顶板及上马蹄混凝土;

9)拆除拱架。

3 拱架的有限元分析

3.1 计算工况

根据主拱圈混凝土的施工过程,选择了四种工况,具体如下:

1)工况一:P(拱架自重+钢管支架及模板自重+施工荷载);

2)工况二:P+底板及下马蹄混凝土自重;

3)工况三:P+底板及下马蹄混凝土自重(0.8E)+腹板自重;

4)工况四:P+底板及下马蹄混凝土自重(1.0E)+腹板自重(0.8E)+顶板混凝土及上马蹄自重。

注:E为混凝土标准弹性模量,考虑到主拱箱下一工序结构荷载作用时,上一工序施工的结构弹性模量并未完全达到标准弹性模量,按80%计算。

3.2 计算模型

拱架计算采用大型有限元程序ANSYS。拱架模型所有弦杆均采用空间梁单元(见图2),结合工程实际情况,贝雷桁片的内部节点,按具有抗弯刚度的刚性节点考虑,所有的销接拼接节点均按铰节点考虑。其中钢材的弹性模量采用2×105MPa,钢材的密度为 7800 kg/m3,钢材的线膨胀系数采用1.2×10-5;拱圈混凝土的弹性模量采用3.252×104MPa,容重按25kN/m3计。贝雷片主桁杆件(包括加强弦杆)、梯形桁架杆件以及拱脚构架杆件的材料均为16Mn。

3.3 计算结果分析

通过ANSYS计算可得拱架上各主要控制截面在各工况下的强度(应力)和刚度(位移变形),分别见表1,表 2。

表1 各种工况下拱架上下弦杆的最大应力 MPa

表2 各工况下拱架的竖向位移 mm

由表1,表2计算数据可以看出,拱架在施工过程中上、下弦杆各工况的最大弯曲应力分别为144MPa和182MPa,小于其容许压应力200MPa;拱架在四种工况下的最大挠度为130mm,约为拱架跨度的1/885,远小于规范所规定的变形限值1/282。

4 结语

1)本工程拱圈混凝土分三层浇筑,在浇筑腹板时考虑底板的共同作用、浇筑顶板时考虑开口箱的共同作用,拱架弦杆的最大应力为182MPa＜200MPa。并且拱架的腹杆应力也较小,在各种工况下也都能满足承载力需求。故本工程拱架杆件承载力满足规范要求。2)由计算可知,拱架具有较大的刚度。拱顶的最大挠度为130mm＜112700/400=281.8mm。为保证后续施工过程的顺利进行提供了良好的条件。3)拱圈混凝土分段浇筑过程中应注意拱架荷载的对称性。4)拱架横向连系是拱架结构整体稳定的关键因素,应重视拱架的可靠性和有效性。

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