某下承式拱桥异型拱座分析

张冠楠

1 工程背景

在建的某钢叠合梁组合式系杆拱桥,全长300 m,跨径布置为(60+180+60)m。

中跨为下承式钢管混凝土拱桥,拱肋横向由4片拱肋组成,分主、副拱肋,二者通过横向拉杆连接。拱轴采用抛物线,主拱计算跨度L=180 m,计算矢高f=40 m,矢跨比1/4.5,副拱计算跨度L=180 m,计算矢高f=48 m,矢跨比1/3.75。

主拱与主梁通过主吊杆连接,主吊杆纵向间距6.0 m,全桥共设25对。为追求景观效果,主、副拱肋均采用外倾方式布置,主拱向外倾斜16°,副拱向外倾斜 26.82°,同时,将主拱范围内人行道向拱外平移6.0 m,并抬高1.94 m。人行道与主梁通过悬臂挑梁连接,设置副拱与挑梁间的副吊杆,以承担部分人行道挑臂荷载。为平衡主、副拱肋外倾引起的水平分力,设置斜拉杆将主拱与布置在中央分隔带处的耳叉连接起来。副吊杆与斜拉杆对应设置,纵向间距12.0 m,全桥共11对副吊杆(斜拉杆),总体布置图见图1。

主拱和副拱分别是机动车道和人行道的关键受力构件,而二者在桥面上交汇于拱座,拱座就成为全桥受力的一个关键节点。由于主拱和副拱的倾角不同,同时为了保证拱座自身的外观效果,因此拱座的造型也较为独特。为了保证全桥结构的安全性,需要对拱座的受力情况进行专门的分析和研究。

在初步拟定构造时,我们可以采用有限元软件来对异型拱座进行仿真分析,现在市场上通用的有限元软件具有丰富的单元,比较完备的约束模拟系统,以及多样化的荷载加载方式,能够模拟很多特殊构造以及部件,这样可以有效节约设计成本,缩短设计周期。

2 计算和分析

拱座结构为钢—混凝土组合结构,外壳为钢板,内部填充混凝土,主拱和副拱插入混凝土当中,为了保证钢和混凝土能够有足够连接,保证力的传递和扩散,在拱肋外表面和拱座外包钢板内表面都分别设置了剪力钉。

本文采用大型通用有限元程序建立拱座的全真实体模型,模型还包括拱座与主梁的连接。其中混凝土用实体单元模拟,钢管和外包钢板采用壳单元模拟。

有限元模型的位移边界条件:在拱座底部主梁支座位置约束3个方向的位移。

由于拱座的外包钢板和拱肋钢管伸入拱座部分均布置有剪力钉,可以认为钢板或钢管与混凝土不发生相对位移,故混凝土和钢的接触面相应位置的节点位移自由度完全耦合。

材料特性:混凝土:弹性模量3.45×104N/mm2,泊松比0.166 7;钢材:弹性模量 2.1×105N/mm2,泊松比 0.3。

拱座有限元模型见图2,其中有限元模型中共用187 179个单元和24 213个节点。

荷载工况:恒载+活载+附加力最不利组合工况。

加载方法:分别在主副拱轴线方向建立一个较短的刚臂,将其梁单元一节点与拱肋实体单元的节点耦合,内力施加在梁单元另一节点。

整个模型的主拉应力计算结果,除了由于靠近外力加载位置以及耦合节点的影响使顶部拉力较大外,整个拱座的主拉应力不是很大。其中拱座在与主跨主梁相连处拉应力要比其他部位大,该部位主拉应力接近5 MPa,其他部位的主拉应力较小。

从主压应力的角度看整个拱座的最大主压应力约为18 MPa,分布于与拱座平面接近的表面区域,在拱座的截面变化处也存在9 MPa左右的压应力(见图3)。

从外表面的轴向应力分布来看拱座的总体是受压的,总体压应力在7 MPa左右,局部的压应力达到18 MPa左右。

从模型内部来看在从拱座顶面向下2 m后,混凝土全部受压,从截面上的内力分布来看,拱座压应力沿着“下缘—上缘”“靠近内桥面—远离内桥面一侧”逐渐减小,表现出明显的压弯的特点。最大压应力约15 MPa,总体压应力在9 MPa左右。

在3.5 m以后由于截面的变化,截面压应力的分布趋于均匀(限于文章篇幅部分图片未示)。

3 结语

通过上面的分析,我们可以看出现有的构造可以使主拱和副拱的内力在拱座截面上有较为均匀的扩散,没有出现明显的应力超标和突变点,部分应力值偏高区域都非常的小,完全可以通过后期的措施加以克服,拱座整体构造基本合理。

拱座是拱桥体系受力的关键节点,在桥梁(特别是城市桥梁)的景观效果日益提高的今天,异型拱座的出现将成为一个不可避免的现象,本文采用的有限元仿真分析的办法在拟定拱座的构造时具有高效、经济的优点,可以为设计人员节省大量的时间和精力。

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