钢管混凝土拱桥结构受力及参数设计分析

黄永忠

(广西建工集团第五建筑工程有限责任公司设计研究院 广西 545006)

0 引 言

钢管混凝土拱桥造型独特优美，近年来在工程中被广泛应用.然而因为其发展年限较短，相关研究还存在一些不足[1-3].王春生等[4-6]以某跨河交通桥的结构设计、施工方法为例，采用Midas/Civil软件进行桥梁结构整体进行了分析和稳定计算，并结合监测数据研究了高性能钢管混凝土拱桥受力特性；乔永平等[7-8]通过建立钢管混凝土拱桥极限承载力分析的弹性模量缩减法，给出了混凝土强度、含钢率等对钢管混凝土拱桥结构极限承载力的影响规律；尹志雨[9]根据某工程场地地震动参数等技术资料，采用Midas/Civil建立了某大跨钢管混凝土拱桥空间杆系有限元模型，并对该桥在地震作用下的结构响应进行了深入分析.然而，由于国内目前尚无钢管混凝土拱桥的相关针对性规范，因此，研究钢管混凝土拱桥的稳定性及参数影响至为重要[10].

文中以某钢管混凝土桥梁工程为例，通过有限元分析了自重作用下拱桥的位移及受力，并对使用阶段拱桥的稳定性进行了分析，最后以最不利荷载组合工况为例，对影响钢管混凝土拱桥稳定的参数钢管壁厚、钢管直径、拱轴线形，以及横撑类型等进行了分析.

1 工程概况及数值模型建立

1.1 工程概况

某拱形桥梁的主体结构为上承式钢管混凝土桥梁，主桥的拱肋跨径长为126 m，桥梁上部结构分为南北两幅，引桥和拱桥上立柱的跨径布置为12.5 m×2 m+11 m+15 m×8 m+11 m+12.5 m×2 m.对于主桥立柱，其截面为方形钢制立柱，尺寸为0.8 m×0.8 m，而对于引桥桥墩，其截面为钢筋混凝土方形桥墩，尺寸为1.6 m×1.6 m，全桥的主梁均采用等截面的钢制箱梁，见图1，为桥梁示意图，其中图1b)中立柱从左到右依次编号为1#，2#，3#和4#.主桥采用悬链式的拱轴线形，拱轴系数取1.26，主拱圈跨径取126 m，该工程的桥墩、桥台及拱座的桩基均采用钻孔灌注桩，桥面横向总宽度为38.5 m.

图1 桥梁示意图(单位：cm)

1.2 数值模型建立

采用ANSYS13.0建立模型，整体采用Beam188单元，建立的模型共包括有1 846个单元以及548个节点，见图2，为桥梁整体模型、桥梁侧视图以及拱肋和斜撑截面图.对于拱桥的拱脚处进行全方向的自由度约束，为了考虑桥台伸缩缝的影响，箱梁在顺桥方向上自由度放开，只在其他方向进行自由度限制.表1为相关计算模型参数.

图2 数值模型图

表1 模型计算参数

2 钢管混凝土拱桥结构受力分析

2.1 自重作用下拱桥结构位移及受弯分析

拱桥结构的竖向变形对于结构的安全至关重要.图3为自重荷载作用下各立柱截面的排架竖向位移图，由图3可知，四个控制截面上排架 1～17的竖向位移基本保持一致，各立柱截面的最大竖向位移依次为-32.86,-32.87,-32.87和-32.86 mm，即最大竖向位移发生在跨中截面位置.此外，从各截面排架竖向位移可知，拱桥的排架在控制截面的竖向挠度变化相对比较均匀.

图3 自重荷载下各立柱截面的排架竖向位移

分析弯矩变化规律对于判断结构受力较为重要，图4为自重荷载作用下各控制截面下不同横撑面的弯矩图，其中编号0和18均为拱桥两端拱脚.由图可知，最大负弯矩出现在两端拱脚处，最大正弯矩出现在跨中位置.观察可以发现从拱脚沿着拱肋向上时，弯矩是先逐渐减小，在编号4和14前后弯矩趋于0，之后从编号4和14往跨中移动时，弯矩逐渐增大，且此时由之前的负弯矩变为正弯矩.此外，四个控制截面的弯矩变化规律基本一致.

图4 自重荷载下各控制截面弯矩(单位：kN·m )

2.2 使用阶段拱桥结构稳定性分析

相对于自重荷载，桥梁在使用过程中的稳定性更为重要.为了分析该桥梁在使用阶段的稳定性，选取最具有代表性的5种荷载组合情况，在有限元软件中分别进行计算，并求得其稳定系数.不同工况下所得桥梁结构的第一阶稳定安全系数见表2.

表2 不同荷载工况及相应结构稳定安全系数

由表2可知，在不同荷载组合下，工况一时结构稳定安全系数最大，在工况四时结构安全稳定系数最小，说明在上述五种荷载组合下，数工况四，即恒载及两排车辆全桥满布(偏心布置)荷载类型下结构最不稳定.为了探讨钢管混凝土拱桥的设计参数对结构的安全稳定性影响，下文取工况四(最不利荷载组合)进行详细参数分析.

3 钢管混凝土拱桥参数设计分析

3.1 钢管壁厚的影响分析

图5为不同钢管壁厚下结构的稳定安全系数，其中拱肋钢管直径取1 000 mm且固定不变，钢管壁厚分别取10，12，14，16和18 mm等五种尺寸.由图5可知，五种不同钢管壁厚下结构稳定系数随失稳模态阶数变化规律一致，第一阶失稳模态下管壁厚度从小到大的结构稳定系数分别为6.12，6.28， 6.32，6.37和6.45，即当钢管壁厚由10 mm增加到18 mm时，结构稳定系数增加了5.4%.

图5 不同钢管壁厚下结构的稳定安全系数

3.2 钢管管径的影响分析

图6为不同钢管管径下结构的稳定安全系数，其中钢管壁厚取16 mm且固定不变，钢管直径分别取800，900，1 000，1 100和1 200 mm等5种尺寸.由图6可知，5种不同钢管直径下结构稳定系数随失稳模态阶数变化规律一致，第一阶失稳模态下钢管直径从小到大的结构稳定系数分别为6.04，6.20，6.38，6.44和6.64，即当钢管直径由800 mm增加到1 200 mm时，结构稳定系数增加了9.9%.

图6 不同钢管管径下结构的稳定安全系数

3.3 拱轴线形的影响分析

图7为不同的拱轴线形下结构的稳定安全系数，其中拱轴线形包括悬链线和抛物线两种.由图7可知，两种拱轴线形下结构稳定系数随失稳模态阶数变化规律一致，悬链线和抛物线第一阶失稳模态下结构安全稳定系数分别为5.71和5.43，即当选用悬链线拱轴线形时，其结构安全稳定系数要比选择抛物线拱轴线形时大5.2%.

图7 不同的拱轴线形下结构的稳定性

3.4 横撑形式的影响分析

本工程中横撑结构采用为K字撑，为了探讨不同横撑形式对桥梁结构的稳定安全系数影响，见图8，取K字撑、口字撑和双K字撑三种横撑结构进行分析.图9为不同横撑结构下的桥梁的稳定安全系数.由图可知，双K字撑时结构安全稳定系数最大，其次是K字撑，最小的是口字撑.第一阶失稳模态下三种横撑的结构稳定系数依次为4.94，6.06和8.03，即采用双K字撑时，结构稳定安全系数要比K字撑、口字撑增加了32.5%和62.6%.因此，如果本工程采用双K字撑，可使结构的稳定安全系数增大1/3.

图8 不同横撑结构

图9 不同的横撑形式下结构稳定性安全系数

4 结 论

1) 自重荷载作用下拱桥最大挠度发生在跨中位置，拱桥排架在控制截面竖向挠度变化相对比较均匀.最大负弯矩出现在两端拱脚处，最大正弯矩出现在跨中位置.

2) 在不同荷载组合下，结构稳定安全系数在7.35～12.79之间，工况四恒载以及两排车辆全桥满布(偏心布置)即为最不利荷载组合，并对最不利荷载组合下影响拱桥结构稳定的参数进行了分析.

3) 改变钢管壁厚、钢管直径以及选用不同拱轴线形对提高结构安全稳定系数不明显，而采用双K字撑时，可使结构稳定安全系数相对于K字撑时增大近1/3.