大跨度中承式系杆拱桥双肢截面拱肋受力研究

庞颖

（1.长沙理工大学，湖南　长沙　410004；2.中交路桥华南工程有限公司，广东　中山　528403）

大跨度中承式系杆拱桥双肢截面拱肋受力研究

庞颖1，2

（1.长沙理工大学，湖南长沙410004；2.中交路桥华南工程有限公司，广东中山528403）

为研究双肢凸形截面拱肋的受力特性，以某（100+450+100）m大跨度中承式钢箱拱桥为工程背景，采用ANSYS13.0建立梁-壳三维混合有限元模型，对其在恒载、恒载+活载工况下的受力特性进行数值计算。结果表明，在恒载和恒载+活载工况下，拱肋凸形截面应力水平较低，拱肋内侧应力比外侧大4.1％～6.8％，凸形截面同时出现正、负剪力滞现象；在恒载+活载工况下，大桥的第一屈曲模态为面外正对称屈曲，屈曲系数为7.25。

桥梁；系杆拱桥；双肢截面；混合有限元模型；剪力滞；屈曲模态

近十几年，随着社会和科学技术的逐步发展，作为大跨度桥梁形式之一的钢拱桥得到较快发展。2006年建成的主跨300 m佛山市东平大桥是首座拱梁协作体系拱桥；2011年建成的主跨450 m明州大桥是中国第一座大跨径双肢钢箱拱桥；2012年建成的主跨3×210 m长沙福元路湘江大桥是中国第一座采用整体楔进式顶推施工的钢箱拱桥；正在建设的主跨336 m金沙江钢箱拱桥是世界上最大跨度公铁两用钢箱拱桥。上述有代表性的钢箱拱桥除明州大桥外均采用单箱钢箱拱桥。由上、下肢结合成的双肢钢箱拱桥，截面形式新颖，较少有文献对该种结构进行受力分析。为此，该文以某（100+450+ 100）m双肢钢箱拱桥为工程背景，采用ANSYS13.0建立梁-壳三维混合有限元模型，分析双肢钢箱拱肋在不同荷载工况下的受力特性。

1　工程概况

某桥主桥采用双肢中承式系杆拱桥，其跨径布置为（100+450+100）m，桥宽45.8 m，矢跨比为1/5。主桥中跨拱肋由上、下两肢组成，横向倾斜度1∶5，其中在中跨跨中左右315 m范围内采用凸形截面，其余区域采用单箱截面。上、下游两片拱肋通过K撑、一字撑连成整体，桥面系与钢拱肋通过吊杆或立柱形成联系，将桥面系荷载传递给钢拱肋。主桥两边跨之间布置张拉系杆，以平衡大桥中跨产生的水平力。主桥总体布置见图1。

主桥中跨拱肋下肢截面宽3.5 m，高4.8～6.5 m，顶、底、腹板厚25～55 mm；上肢截面宽2.8 m， 高1.8 m，顶、底、腹板厚16～20 mm。主拱拱顶截面见图2。边拱下肢截面宽3.5 m，高5.0～6.0 m，顶、底、腹板厚20～35 mm。

图1　主桥总体布置（单位：m）

图2　主拱肋拱顶凸形截面（单位：mm）

2　混合有限元模型的建立

为避免在局部模型中施加边界条件存在的不足，选取主桥跨中30 m区域拱肋，采用ANSYS建立三维壳单元局部模型，其余构件采用杆系单元模拟，杆系单元与壳单元通过刚域形成梁-壳三维混合有限元模型。跨中30 m区域拱肋采用Shell63单元模拟，其余拱肋及桥面系、立柱、拱肋横向联系等均简化成空间梁单元Beam44，吊杆、系杆拉索简化成索单元Link10。数值仿真模型见图3。

图3　混合有限元模型

边界条件：主墩与拱肋和系梁按共节点模拟，边墩与上部结构之间采用Combin14单元模拟，主墩与边墩的底部按固结模拟。

计算荷载：根据设计吊杆张拉力，在吊杆单元施加节点荷载；结构自重采用惯性力模拟；二期恒载及桥面附属荷载按均布荷载模拟，为80.03 k N/m；活载按公路-Ⅰ级、双向八车道计算。

3　计算结果分析

为分析凸形截面拱肋的受力特性，取拱顶附近3个典型截面进行应力分布研究。典型截面位置及编号见4，其中A-A截面为普通截面，B-B截面为吊点处截面，C-C为横向加劲截面。

图4　拱顶截面示意图

3.1恒载工况下拱肋应力计算结果

图5～7为恒载工况下A-A、B-B、C-C截面顶、中、底板应力横向分布，图8为恒载工况下C-C截面横隔板应力云图。

由图5～7可得：在恒载工况下，凸形截面顶、中、底板应力为80～105 MPa，在横隔板（B-B）和横向加劲（C-C）截面处出现正剪力滞现象，而在无横向加劲（A-A）截面处出现负剪力滞现象；拱肋内侧应力比外侧对应位置应力大4.1％～6.8％，其原因主要是拱肋在横向倾斜度为1∶5；B-B、C-C截面处中板与顶板对应位置应力相差约9 MPa，A -A截面处中板与顶板对应位置应力近似相等。

图5　恒载工况下A-A截面应力分布

图6　恒载工况下B-B截面应力分布

图7　恒载工况下C-C截面应力分布

图8　恒载工况下C-C截面横隔板应力云图（单位：kPa）

由图8可得：在恒载工况下，横隔板应力整体较小，但在截面角点局部区域应力达70 MPa，表明横隔板在抵抗截面横向变形时产生较强限制作用。

3.2恒载+活载工况下拱肋应力计算结果

图9～11为恒载+活载工况下A-A、B-B、C -C截面顶、中、底板应力横向分布，图12为恒载+活载工况下C-C截面横隔板应力云图。

图9　恒载+活载工况下A-A截面应力分布

图10　恒载+活载工况下B-B截面应力分布

图11　恒载+活载工况下C-C截面应力分布

由图9～11可得：在恒载+活载工况下，凸形截面顶、中、底板应力为75～130 MPa，截面应力分布趋势与恒载工况相似。

由图12可得：在恒载+活载工况下，横隔板应力整体较小，但在截面角点局部区域应力达80 MPa；与恒载工况相比，角点应力增大14.2％。

图12　恒载+活载工况下C-C截面横隔板应力云图（单位：kPa）

3.3结构稳定性计算结果

表1为恒载+活载工况下大桥的屈曲模态及屈曲系数，图13、图14分别为第一、六阶屈曲模态。

表1　大桥屈曲模态及屈曲系数

图13　第一阶屈曲模态

图14　第六阶屈曲模态

由表1及图13～14可得：在恒载+活载工况下，大桥的第一阶屈曲模态为面外正对称屈曲，屈曲系数为7.25；前四阶均为整体屈曲，第五阶才开始出现局部屈曲，表明大桥加劲具有足够的承载力储备；大桥发生整体屈曲工况时未出现局部屈曲，发生局部屈曲时也未出现整体屈曲，表明大桥整体、局部屈曲不相关。

4　结论

（1）在恒载、恒载+活载工况下，拱顶凸形截面顶、中、底板应力均在130 MPa内，应力水平较低，恒载应力占主导地位。

（2）由于拱肋横向倾斜1∶5角度，拱肋内侧应力比外侧对应位置应力大4.1％～6.8％。

（3）在恒载、恒载+活载工况下，拱肋内出现正剪力滞、负剪力滞现象，其中横向加劲截面处出现正剪力滞，而在普通截面处出现负剪力滞。

（4）在恒载+活载工况下，大桥的第一屈曲模态为面外正对称屈曲，屈曲系数为7.25，且大桥整体、局部屈曲不相关。

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U448.22

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1671-2668（2016）01-0167-03

2015-12-14