中承式拱梁组合体系运营阶段整体受力分析

■ 杨登峰 李鸿强

(新疆兴亚工程建设有限公司， 昌吉 831100)

运营状态下的桥梁承受着桥梁自身恒载、活载，风荷载等外界作用的影响，对桥梁自身稳定性是巨大的考验。 因此，对运营状态下桥梁的受力和变形进行分析对于保证桥梁稳定性具有重要的意义。近年来，国内学者对此进行了一些研究，主要有：文献[1-2]以某跨河梁拱组合体系桥为研究对象，利用有限元分析软件Midas/Civil 建立空间模型模拟，分析了梁拱组合体系桥的受力特点， 得出结构在不同施工阶段下的吊杆索力及其变化趋势， 同时研究得到在不同设计荷载组合下主梁和拱肋内力的变化趋势；文献[3-4]结合某拱梁组合体系桥的建设，采用有限元程序建立该桥关键部位结构分析空间有限元模型，模拟该部位在各种荷载工况下的受力情况，得出该部位的应力状态；文献[5-6]以某主桥为研究背景，对拱脚处的受力进行了分析，采用混合有限单元法，运用MIDAS/Civil 软件建立空间有限元模型，对全桥整体和拱脚局部进行了模拟计算， 结果表明福元路湘江大桥拱脚各构件应力值均小于材料容许应力，满足设计要求。 本文主要以某中承式拱梁桥为研究对象，通过对桥梁在恒载、移动荷载以及运营阶段最不利荷载组合作用下的分析，验算了其稳定特性，研究结果可为类似工程设计和施工提供参考和借鉴。

1 工程概况

某景观大桥为中承式拱桥， 设计跨数为2 跨，每跨长度为80 m。 桥梁的拱肋采用钢结构形式，桥梁的设计截面形式为矩形，宽度2 m。吊杆与水平之间设计角度为60°，锐角朝向中跨方向，主梁采用预应力砼箱梁，全桥共6 个支墩，分别位于桥梁两端和中间。拱线跨度大小为67 m，失高大小为15.0 m。在桥梁的每一节段设置有3～5 个横隔板，其厚度为15 mm；桥梁底板设置有3 道加劲板肋，方向为沿桥梁纵向；在桥梁腹板内同样设置有间距为50 cm 的加劲板肋，沿纵向布置3～5 道，其高度和厚度值分别为250 mm 和20 mm，二期恒载值取205 kN/m。

2 数值建模

2.1 模型建立

图1 为采用有限元软件Midas/civil 建模得到的桥梁模型图。 跨径为2×80 m，吊杆为15-19 型双吊杆索，共96 个。 其中系杆和吊杆均采用桁架进行模拟，其余结构采用梁单元进行模拟。 模型中共有589 个节点，共536 个单元，由于本文只分析上部结构，因此对于桩基的作用不予考虑，在承载下部进行固结处理，将桥梁自重、二期恒载以及预张拉应力等施加到桥梁上。 表1～2 分别为模型材料参数和钢材料参数表。

图1 数值模型图

表1 模型材料参数

表2 钢材料参数

施工过程模拟如表3 所示。

表3 工况表

3 运营阶段桥梁整体受力数值分析

3.1 恒载作用下的结构受力分析

3.1.1 主梁和拱肋内力分析

图2 为成桥状态时主梁和拱肋的弯矩图， 由图可知，对于主梁的弯矩图，在梁的两端弯矩较大，中间弯矩值较小且分布均匀。 在有绳索分布的地方弯矩分布较为均匀，说明该桥梁的绳索设置比较合理。对于拱肋弯矩图，除端部弯矩较大外，其他部位弯矩值较小且分布较为均匀， 最大值为7600 kN·m。 此外， 在中间部位弯矩分布呈现出有规律的波浪形变化形式，弯矩整体水平较低，且恒载作用下拱肋以受压为主。

图2 成桥状态时弯矩图

3.1.2 结构应力分析

图3 为成桥状态时的主梁上下缘的正应力图，图4 为成桥状态时的拱肋正应力包络图，由图可知，在成桥状态下，其应力均呈现出较为均匀的分布状态，且主梁和拱肋的截面均表现为受压。 对于主梁， 其最大应力值为-9.57 MPa， 最小应力值为-3.03 MPa； 拱肋的最大应力值为-82.42 MPa，最小应力值为-45.04 MPa。

图3 成桥状态时的主梁正应力图(单位：MPa)

图4 成桥状态时的拱肋正应力包络图(单位：MPa)

3.1.3 主梁挠度分析

图5 为成桥状态时的主梁挠度图， 由图可知，主梁挠度值均小于10 mm，在主梁两端桥墩处挠度最大，最大值为-9.27 mm，针对这一现象，在施工过程中可采用预设值一定的预拱度来消除两侧挠度过大现象。

图5 成桥状态时的主梁挠度图

3.2 移动荷载作用下的结构响应分析

为了重点分析在移动荷载下的主梁的挠度变化，图6 示出了移动荷载下的主梁挠度图， 由图可知，对于该桥梁的两个跨，均在跨中挠度值最大，最大值为8.4 mm，对于活载下的挠度规定，已知主梁跨度为80 m， 通过计算可知允许最大挠度值为160 mm，因此，移动荷载下的主梁的挠度满足设计要求。

图6 移动荷载下的主梁挠度图

3.3 运营阶段的最不利荷载组合下受力分析3.3.1 应力分析

在桥梁运营阶段， 经常受到桥梁自身恒载、活载，风荷载等外界作用的影响，此时，在上述荷载组合情况下，桥梁会出现最不利受力状态。 为了对桥梁在最不利状态下的稳定性进行验算，图7 给出了标准组合荷载下的主梁截面和拱肋截面的正应力包络图。 由图可知，在最不利状态下，主梁最大应力值为9.81 MPa，小于设计规定的16.2 MPa，满足设计要求。对于桥梁拱肋，最大应力值为113.09 MPa，小于设计规定的200 MPa。 综上可知，对于桥梁主梁和拱肋，其应力均小于设计规定值，且具有较大的安全储备空间。

图7 标准组合下正应力包络图

3.3.2 吊杆和系杆应力验算分析

图8 为标准组合下吊杆和系杆内力图，通过计算可知吊杆和系杆的安全系数分别为3.18 和2.71， 均大于规范要求的拱桥吊杆和系杆安全系数大于3.0 和2.5 的规定， 即在正常运营阶段，吊杆和系杆的应力均满足验算要求。

图8 标准组合下吊杆和系杆内力图

4 结论

本文主要以某中承式拱梁桥为研究对象，通过对桥梁在恒载、移动荷载以及运营阶段最不利荷载组合作用下的分析，验算了其稳定特性，得到以下结论：

(1)恒载作用下，主梁的两端弯矩较大，中间弯矩值较小且分布均匀，说明该桥梁的绳索设置比较合理。 除端部拱肋弯矩较大外，其他部位弯矩值较小且分布较为均匀，弯矩整体水平较低，拱肋以受压为主。 施工过程中可采用预设值一定的预拱度来消除两侧挠度过大现象。

(2)移动荷载下主梁在跨中挠度值最大，最大值为8.4 mm， 满足最大挠度值小于160 mm 的规定，即移动荷载下的主梁的挠度满足设计要求。

(3)在最不利状态下，对于桥梁主梁和拱肋，其应力均小于设计规定值，且具有较大的安全储备空间。 同时在正常运营阶段，吊杆和系杆的应力也均满足验算要求。