钢管拱桥施工力学特性建模与分析

翁伟

摘要：文章以当前我国钢管拱桥的建设施工为研究背景，介绍了钢管拱桥应用情况及发展现状，分析了国内已建的比较典型的钢管拱桥工程参数，搭建了钢管拱桥有限元模型，指出了有限元软件应用过程中应注意的问题，并对所搭建的钢管拱桥模型分别进行了有限元静力学和动力学方面的特性分析，具有一定的工程实用意义。

关键词：钢管拱桥;力学特性;建模;分析

中图分类号：U448.22 文献标识码：A DOI：1O.13282/j.cnki.wccst.2019.07.026

文章编号：1673-4874（2019）07-0083-03

0引言

钢管（混凝土）拱桥属于典型的钢混结构桥梁，填充了混凝土的钢管变得更加稳固，而混凝土也因钢管作用提高了强度。据相关统计，近20年来我国已建、在建的钢管拱桥已超过400座，最大跨径超过500m。经过我国桥梁工程技术人员和专家们的不断努力，现阶段在钢管拱桥的建设领域已取得了辉煌的成就，钢管拱桥以其独有的工程特性成为各类桥梁施工的首选方案。

相比于国外发达国家而言，我国在钢管拱桥施工的理论方面的研究还不够深入，与国外发达国家相比差距很大，而且相关的理论研究滞后于桥梁的工程实践。由于施工材料逐渐老化、环境腐蚀以及车辆超载等因素，钢管拱桥在使用过程中会出现一些问题，且由于混凝土在钢管内部，测量内部具体情况的难度较大，加之钢管拱桥的各个组件联系较为密切，一根吊杆的损坏可引起整座桥梁坍塌。近年来有关钢管拱桥的施工事故时有发生，给人们生命财产安全造成了一定的损失。为减少钢管拱桥施工事故的发生，对其施工过程中的力学特性进行建模和分析显得尤为必要。本文对钢管拱桥施工中的力学结构特性进行了详细分析，搭建了工程力学模型，研究内容具有一定的工程应用价值。

1钢管拱桥应用情况及发展现状

在20世纪90年代初期，我国建成了第一座钢管拱桥，即位于四川省境内的旺苍东河大桥，在此之后，我国的钢管拱桥每年以20座左右的速度持续增长，在2006—2016年这10年间，钢管拱桥的数量出现了历史高峰，截至2016年年底，我国钢管拱桥总数量接近450座，钢管拱桥数量增长趋势如下页图1所示。

通过查阅相关文献可知，在钢管拱桥跨径长度方面，100m以上的有180座，跨径超过200m的有65座，跨径在300m以上的有十余座，最长跨径长度已超过500m。例如在2013年竣工通车的四川泸州境内的合江长江一桥总跨度为530m，为中承式结构类型桥梁，采用了缆索吊运、斜拉扣挂的施工工艺，截面形式为四管桁式嘲。我国部分钢管拱桥跨径长度及竣工年限统计数据如图2所示。

我国已建的部分钢管拱桥工程参数（跨径L>330m）如表1所示。由表1可知，这10座钢管拱桥的跨径均超过了330m，属于长跨度钢管拱桥。其中400m及以上的共4座，除广州丫髻沙大桥为转体施工之外，其余钢管拱桥均为缆索吊运、斜拉扣挂施工。在这些钢管拱桥中，截面形式多为四管桁式或六管桁式，黄山太平湖大桥和南宁永和大桥为横哑铃形桁式。其中，有4座为中承式结构类型桥梁，分别是合江长江一桥、巫山长江大桥、黄山太平湖大桥和南宁永和大桥;湖北支井河大桥、准朔铁路黄河大桥与泸蓉西小河特大桥为上承式结构;湘潭莲城大桥为斜拉飞鸟式结构;广州丫髻沙大桥为飞鸟式结构。

2钢管拱桥施工力学特性建模与分析

2.1搭建钢管拱桥有限元模型

搭建钢管拱桥有限元模型的目的是为了进行钢管拱桥结构力学特性分析。有限元模型的分析方法主要包括结构刚度、边界条件等模拟。结构刚度通常指杆件的轴向、弯曲、剪切以及扭转刚度等，对部分力学特性模拟要求较高的钢管拱桥来说，还包括杆件间连接刚度等。结构质量部分的模拟过程通常包括杆件平动和转动质量。应指出的问题是，在边界条件模拟过程中，应与实际工程施工的具体支撑情况相吻合，即建模过程应尽量接近实际桥梁的施工情况。但基于桥梁在实际施工过程中各构件的受力情况十分复杂，因此，要做到有限元模拟过程与实际桥梁的施工过程完全一致是几乎不可能的，应在计算精度和模拟工作条件允许的情况下，对有限元模型适当简化，找到最佳、最合理的平衡点。通过有限元Midas软件对钢管拱桥进行空间建模，钢管拱桥空间有限元模型如图3所示。

2.2有限元静力学特性分析

在成桥情况下的拱肋、纵梁和横梁的最大截面应力均应满足设计规范要求，并考虑到吊杆的张力作用，减少桥面纵梁引起的反挠度，使得纵梁弯矩变为负弯矩，发挥吊杆对桥面线性调节的作用，对纵梁的弯矩也有积极作用。在有限元静力学分析过程中，在桥面模型上布置两条车轨，模拟钢管拱桥对四轮小车的载荷能力。在此过程中，变化小车上的砝码来模拟各种情况下的静力学加载数值，并简化载荷为纵向间距和轴距。有限元静力学加载工况如表2所示。

需要注意的问题是，在进行不同车道的载荷模拟时，拱肋最大的截面应力应为压应力，纵梁最大截面应力为拉应力，且拱肋以及纵梁截面的应力极限值应小于钢管的屈服强度。当载荷车道发生改变时，纵梁截面上的应力变化幅值应大于拱肋截面上的应力变化幅值。这种结果与纵梁截面受到的载荷分布有关，一般情况下，车道在纵梁截面上的载荷分布较大，且在相同载荷情况下，中部纵梁应力大于边部纵梁。

2.3有限元动力学特性分析

鋼管拱桥结构的动力学特性规律和钢管拱桥结构的质量、刚度分布情况有关。钢管拱桥结构的动力学特性包括自振频率和阻尼系数等。对钢管拱桥结构动力学特性进行详细分析可找到钢管拱桥振动规律，为钢管拱桥整体健康状况的监测提供数据支持，能够保证钢管拱桥的施工质量及安全性。在搭建钢管拱桥动力学特性分析的模型时，应注意有限元软件与实际钢管拱桥工程参数的兼容情况，依据钢管拱桥实际施工中的工程参数来分析有限元模型的振动特性。在进行钢管拱桥的有限元动力特性分析中，如果发现钢管拱桥模型基波频率超标，则表明钢管拱桥模型整体上具有较高的刚度。有限元动力特性分析中主要以横向的振型为主，且钢管拱桥位于横向上的刚度相对于纵向来说较弱，当模型出现桥体表面的纵向振动时，表明桥体表面在纵向上的刚度约束较小。

3结语

在对钢管拱桥结构力学特性进行深入分析，掌握钢管拱桥健康状况的基础上，本文搭建了钢管拱桥的结构力学有限元模型，对有限元模型在静力学和动力学两种情况下的特性进行了讨论，为钢管拱桥在实际施工过程中各类工程参数的选取和校正奠定了基础，对于提升钢管拱桥的施工质量和安全性具有重要意义。