大跨钢管混凝土拱桥节段内接法兰结构分析

摘要 文章采用有限元软件程序，模拟分析了大跨钢管混凝土拱桥节段内接法兰构造的受力机理与破坏模式，并对节段接头内接法兰构造的设计参数进行了分析，得出了各参数对接头构造正常使用状态和极限承载能力状态的影响规律。结果表明，过大的加劲板高度将改变局部受力模式，影响材料强度的充分发挥；适当加宽内法兰加劲板，可以大幅提高内接法兰结构的承载能力和屈服临界荷载。

关键词 钢管混凝土拱桥；节段接头；内法兰

中图分类号 U442.5+4 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）17-0168-03

0 引言

随着缆索吊装系统和斜拉扣挂系统的广泛应用，钢管混凝土拱桥的建造难度逐渐降低，并朝着更大跨越能力的方向发展，其中拱肋节段吊装工序至关重要[1]。以往的研究主要集中在斜拉扣挂系统的索力与线形控制，以及拱肋弦管的整体受力上，对节段接头的分析研究较少[2-5]。实际上，在扣挂过程中，为留给永久接头足够的焊接时间，节段接头作为临时构造，需提供足够的刚度和承载能力。因此，节段接头的受力是设计中不可忽视的重要环节。

该文以大跨钢管混凝土拱桥为例，采用有限元软件分析，研究拱肋节段内接法兰的受力机理，并对相关设计参数进行分析，为同类桥梁工程设计提供参考。

1 内接法兰典型构造

大跨拱桥节段内接法兰的典型构造如图1所示：

图1 节段接头内法兰构造示意图

节段接头内法兰构造包含法兰盘、加劲板、内衬管及螺栓等。除对接法兰盘采用螺栓栓接外，其余组成部分间均为焊缝连接。内衬管在节段吊装时起到导向作用，不作为受力的主要构件。内接法兰的基本受力模式主要是靠法兰盘对接界面承担节段弦管压力，通过螺栓传递弦管拉力。

为突出研究的普遍性，该文主要分析轴压力作用下节段内接法兰的受力情况。

2 接头内法兰受力特征

2.1 计算模型

采用Ansys软件计算，单元为实体元solid185，材料为理想弹塑性。结构采用轴对称和正对称，以简化建模。

弦管外径为1 300 mm，壁厚30 mm。初步设计法兰盘与加劲板尺寸如下：h0=360 mm，h1=205 mm，b1=320 mm，b0=246 mm，a1=360 mm，a2=161 mm，加劲板厚度为30 mm，法兰盘平面内环向设置8道加劲板。如图2所示：

法兰盘、加劲板、弦管的材质均为Q355。模型在法兰盘对称面上为轴向约束，弦管远端为加载区，其他位置为相应的对称约束。

2.2 受力特征

2.2.1 受力过程与破坏形态

如图3所示为接头轴向受压过程，接头局部模型的轴向变形情况。

从图3中可以看出，接头内法兰构造有明显的弹性区和多段弹塑性区。当弦管轴压力较小时，接头构造处于弹性状态。受力较大的位置为加劲板后趾处于弦管的相接位置。加劲板后趾处，由于与弦管壁相接，有较大面外刚度突变，易造成应力集中。该处一般无焊缝，为直角相接，因此弦管内侧较外侧应力集中大、出现时间早，但范围没有相应位置的弦管外侧大。弦管内侧应力为沿弦管厚度方向的径向应力主导，外侧应力为环向应力主导。另外，还可以看到，弦管环向内部，在加劲板间也出现了环向拉应力，这是整个环向受力过程的协调变形导致。

随着轴压力增大，在轴压力为2 301 kN时，加劲板后趾处的内侧应力集中增大，局部位置率先进入塑性状态，但范围较小、区域扩展较慢，并没有影响接头构造的受力性能。在轴压力为4 090 kN时，加劲板在法兰盘端外侧的位置，局部区域屈服进入塑性状态。在轴压力为8 264 kN时，加劲板后趾处的外侧位置，局部区域屈服进入塑性状态。当轴压力继续增加时，接头构造以加劲板在法兰盘外侧和加劲板后趾处的弦管壁外表面为两个主要塑性区，向四周扩散，其中加劲板在法兰盘外侧的塑性区扩展较快。当轴压力为10 820 kN时，加劲板在法兰盘接触界面的附近区域几乎都进入塑性区。

当轴压力增加到12 286 kN左右时，加劲板前趾处的弦管外缘也出现了塑性区域。

当轴压力继续增加，加劲板内侧背脊上出现了新的屈服区域。该区域应力仍以纵向为主。随着这个塑性区域的迅速扩展，在轴压力达到13 609 kN后，与之前法兰盘附近的塑性区域连通融合，进一步降低了弦管的整体刚度。

2.2.2 构造刚度

表1为内接法兰构造在轴压力作用过程中关键状态的相关数据。

从表1的刚度变化可以看出，尽管加劲板后趾弦管内侧已屈服，但并没有影响构造的整体刚度。加劲板在法兰盘外侧的区域屈服前，刚度基本维持不变。在加劲板前端出现屈服后，刚度才有下降的趋势，但降幅并不大，维持在10%以内。

2.2.3 理论承载能力

需要注意的是，从理论上来看，假设加劲板与法兰盘的接触面，由于受正应力作用而全部进入塑性区域，局部构造形成塑性铰，此时的临界轴压力为11 076 kN。对比图3的图线发现，节段内接法兰构造在超过这个值时，仍能继续承受荷载增量，与理论有所差别。

3 参数分析

3.1 加劲板高度h0、h1

从表2总体来看，加劲板的高度h0变化时，加劲板首次屈服临界压力并非单调变化。而增大h1，易使加劲板首次屈服的临界压力降低，对加劲板受力不利。而增大接触高度h0、减小高度h1都会增加弦管首次屈服的临界压力，这是由于这两项措施都能减小加劲板对于弦管的外作用，减小两种接触面的面外正应力。

因此，增加加劲板与法兰盘的接触宽度，可能会使剪应力增大，降低接头构造的承载能力。设计时，需具体分析加劲板的高度尺寸，降低加劲板的二维受力趋势，以及加劲板对弦管管壁的面外作用效应，从而提高材料进入塑性状态的轴压力临界值。

3.2 加劲板宽度b0、b1

如图4所示为不同加劲板宽度下节段内法兰构造的荷载-位移曲线。

由图4可以看到，增加b0宽度，可以提高节段内法兰的承载能力。增幅不大，并且由于b0宽度主要由节段间嵌补段的宽度确定。一方面，为使高空作业时吊运、装配嵌补段的方便施工；另一方面，需留出焊接加劲板的空间。因此，嵌补段宽度不宜过大或过小，其尺寸宜在300～400 mm，可调整范围不大。综合来看，对节段内法兰构造的承载能力影响不大。

但是，增加加劲板与弦管壁的接触宽度b1，对节段内法兰构造的承载能力提高较大。这是由于加宽加劲板下底面后，传力路径变得平缓，且最终破坏面不再是加劲板与法兰盘的接触平面，而是该区域的斜切面。

表3为加劲板宽度变化时，加劲板和弦管的首次屈服情况。

从表3中可以看到，增大加劲板宽度b0、b1，可以大幅提高加劲板和弦管的屈服临界轴力，推迟局部位置进入塑性区域的时机，使材料得到更充分地利用。值得注意的是，在b0=446 mm，b1=320 mm的工况中，出现了加劲板晚于弦管进入塑性状态的情况。

3.3 弦管壁厚度t1、加劲板厚度t

如图5所示为不同构造厚度下节段内法兰构造的荷载-位移曲线。

弦管的厚度变化对节段法兰构造的受力影响同样较大。若弦管厚度过小，则弦管外壁过早地进入塑性状态，且发展速度很快，使得加劲板在尚未完全进入塑性状态时，节段法兰构造就已失去承载能力。若弦管厚度较大，弦管外壁完全进入塑性状态的时间较晚，可使加劲板材料强度发挥得更加充分，甚至可以促使部分区域的钢材受力进入强化阶段，稍微提高整体的承载能力。

从表4可以看出，提高构造厚度，可以提高加劲板和弦管首次屈服的临界轴压力，且增幅较为显著。另外，从t1=20 mm，t=30 mm的工况可以看到，当弦管壁厚较薄时，弦管有可能先于加劲板屈服。

4 结论

（1）当轴压力继续增加时，接头构造以加劲板在法兰盘外侧和加劲板后趾处的弦管壁外表面为两个主要塑性区，向四周扩散。

（2）结合变形和刚度分析，建议将加劲板首次屈服作为接头构造软化的指标，将后趾处弦管外侧的首次屈服作为局部设计受力的临界状态，并通过构造设计，使加劲板先于后趾处弦管外侧的屈服。

（3）增大接触高度h0、减小高度h1都会增加弦管首次屈服的临界压力。设计时，需具体分析加劲板的高度尺寸，降低加劲板的二维受力趋势，以及加劲板对弦管管壁的面外作用效应。

（4）增大加劲板宽度b0、b1，可以大幅提高加劲板和弦管的屈服临界轴力，推迟局部位置进入塑性区域的时机，使材料得到更充分地利用。

（5）加大弦管厚度与加劲板厚度可以一定程度上提高接头局部的受力性能。

参考文献

[1]郑皆连，王建军，牟廷敏，等.700m级钢管混凝土拱桥设计与建造可行性研究[J].中国工程科学，2014（8）：33-37.

[2]涂光亚，颜东煌，邵旭东.脱黏对桁架式钢管混凝土拱桥受力性能的影响[J].中外公路学报，2007（6）：61-66.

[3]王维.脱黏对钢管混凝土拱桥动力特性影响研究[D].长沙：长沙理工大学，2015.

[4]吴宏斌.钢管混凝土拱桥钢管拱肋施工控制研究[J].公路，2018（5）：197-200.

[5]李彩霞，罗小斌，秦大燕.钢管混凝土拱桥法兰盘制作关键技术[J].公路，2017（3）：146-147.