大跨度钢箱系杆拱桥拱梁结合段局部应力研究

毛建平 周里鸣 莫荣华 覃乐勤

摘要：大跨度钢箱系杆拱桥拱脚处拱梁结合段构造复杂，由于受到来自不同构件不同方向的作用力，导致其受力极为复杂。为了解拱梁结合段应力分布情况，指导桥梁施工及后期运营维护，文章建立拱梁结合段精细化有限元模型进行分析，并以实际施工过程中的监测结果进行验证。研究结果表明：依托工程拱梁结合段应力值均小于容许应力，满足设计要求，理论模拟与实测数据较吻合。研究成果可为桥梁后期运营维护提供参考，同时可为同类结构的计算和设计提供参考。

关键词：大跨度钢箱系杆拱桥;拱梁结合段;局部应力

0 引言

大跨度钢箱系杆拱桥拱脚拱梁结合段为拱肋、系杆、横梁交汇点，各构件的材料、尺寸、横隔板及纵横向加劲肋布置不一，从而导致其构造复杂。同时，拱梁结合段受拱的推力、梁的内力、支座反力和系杆力等不同方向作用力影响，受力复杂，采用整理计算模型很难真实模拟其真实受力情况，需建立局部精细化有限元模型进行计算分析。本文以一座大跨径双层桥面中承式钢箱系杆拱桥为依托工程，根据该桥拱梁结合段结构特点，从精细化有限元分析和实桥监测两方面获取结构应力，经验证，结果可靠。

1 桥梁概况

梧州市西江四桥为广西最大跨径双层桥面中承式钢箱系杆拱桥，桥梁全长1 506.5 m，由主桥、南岸引桥、北岸引桥组成，主桥桥跨组合为（129+300+129） m，上层机动车道宽16.5 m，下层非机动车及人行道宽10.0 m（见图1）。

该桥中跨拱肋、边跨拱肋均采用悬链线拱轴线，计算矢跨比分别为1/5和1/3.38，拱轴系数均为1.6。桥面上拱肋采用闭口钢箱截面，桥面以下拱肋采用预应力混凝土箱型截面，中跨拱肋高度按2次抛物线由4.3 m变为7.1 m，边跨拱肋高度按2次抛物线由3.5 m[=XQS（]大跨度钢箱系杆拱桥拱梁结合段局部应力研究/毛建平，周里鸣，莫荣华，覃乐勤[=JP2]变为6.1 m，中、边跨钢箱拱肋段保持截面宽度为3.6 m和3.0 m不变。为改善受力，在上层桥面设置了通长柔性系杆，并在边跨设置了刚性系杆（见图2）。

刚性系杆总长89.5 m，采用钢箱截面，与边跨钢箱拱肋接头连接，构成本课题研究对象大跨度钢箱系杆拱桥拱梁结合段。结合段处刚性系杆和拱肋腹板采用整板，钢材全部采用Q345C，系杆锚固区内填筑C50低收缩混凝土。拱梁结合段构造如图3所示。

2 有限元分析计算

2.1 计算模型

对于大跨度钢箱系杆拱桥，受其结构特点的影响，采用全桥实体模型进行模拟计算显然不经济且难以实现。采用杆系单元进行全桥分析，计算结果往往不能精确反映局部应力情况。为准确获得大跨度钢箱系杆拱桥拱脚处拱梁结合段局部应力，一般采用两种方法：（1）先建立桥梁整体分析模型提取内力，后根据圣维南原理截取局部结构建立精细化有限元模型进行计算[1-5];（2）建立混合模型[6-7]，通过在一个计算模型中采用杆系和板壳模型等多种方式混合进行模拟计算。通常混合模型较为复杂，费时且效率较低，工程实践中往往采用方法一进行模拟分析。

为精准模拟桥梁拱脚处拱梁结合段的受力情况，需合理确定局部模拟区域。根据圣维南原理，力作用于杆端方式的不同，只会使与杆端距离不大于杆件的横向尺寸的范围受到影响。因此，根据截面尺寸及结合处构造，局部模型取主拱到7.84 m处，梁从拱外边缘向内取9.0 m。采用大型通用有限元软件ANSYS进行局部分析，根据结构特点选择合适的模拟单元和材料参数（见表1），有限元计算模型如图4、图5所示。

2.2 边界条件

如图5所示，局部模型在拱肋、刚性系杆上以竖向截面切断。边界约束条件的使用如下：

（1）支座区域边界设置成竖向位移约束;

（2）拱肋与刚性系杆切口处设置成刚域，并将拱肋处边界设置成固定约束。

2.3 荷载取值

荷载信息来源于Midas Civil软件主桥整体静力分析计算结果。模型中刚性系杆、拱肋、横撑等采用梁单元模拟;吊杆和柔性系杆采用桁架单元。按实际情况设置边界条件。全桥共划分单元3 619个，节点数为2 916个。结构离散图如图6所示。

依据计算结果，分别提取钢纵梁和系杆在全桥计算中的最不利内力值（见表2）。

内力的施加方式：

（1）刚性系杆内力通过切口处的刚域主节点施加;

（2）柔性系杆力按实际传力模式和力大小，通过环形支座板间接施加在锚垫板上。

2.4 计算结果与分析

2.4.1 混凝土部分

根据计算结果，系杆锚固区内填筑的混凝土主拉应力和主压應力如图7、图8所示。

由图7、图8可知，混凝土大部分应力很小，主压应力最大值为14.22 MPa<22.4 MPa，满足要求。大部分位置主拉应力均控制在1.83 MPa以下，但在混凝土边角处及支座附近等局部区域主拉应力值略高，剔除局部受力混凝土单元后的应力如图9所示。

由此可见，在不考虑局部应力的情况下，混凝土主拉应力满足要求。较大的主拉应力出现在局部作用区域周围一个单元的范围内，涉及单元较多而单元尺寸较大。主拉应力值虽然略高，但在分析中发现随着单元尺寸的减小，这一范围（一个单元的范围）收缩，同时应力值下降。考虑局部加强钢筋的作用，认为局部作用下主拉应力是安全的。

2.4.2 钢结构部分

由计算结果可知，钢结构等效应力总体图和锚垫板区等效应力图如图10和图11所示。

由图10、图11可知：

（1）从整体看结合段大部分区域应力值均控制在110 MPa以下。锚垫板区最大应力为152.904 MPa。均满足规范要求。

（2）钢结构应力最大值为245.779 MPa，发生在钢箱系杆顶板开孔处附近。产生较大应力的原因为顶板开孔造成的应力集中。

排除应力集中前后的计算结果如图12所示。

由图12可知，排除应力集中单元后，钢结构最大应力值为152.904 MPa，位于锚垫板区。

综合上述计算和分析结果，钢结构应力均小于Q345钢材的屈服强度及其抗拉强度设计值，满足要求，结构处于安全状态。

3 验证性监测

为进一步验证拱梁结合段局部应力的大小，在实桥开展施工过程应力监测。根据理论计算结果，应力监测点分别布置在纵梁开孔处的局部应力集中区域（对应图13的2#和3#点）及刚性系杆端部顶面其他区域（对应图13的1#和4#点）。

根据桥梁施工过程，选择柔性系杆张拉后的施工阶段提取数据分析应力实测值和理论值，结果对比如表3所示。

由表3中实测结果与理论计算结果进行对比可知：

（1）刚性系杆端部顶面实测应力值，与有限元分析结果基本吻合，说明本文采用的拱脚位置拱梁结合段精细化有限元模型能较准确地反映该位置处局部受力状态。

（2）由于系杆通过顶板需要开孔，开孔位置附近存在较明显的应力集中，计算模型考虑直接开孔，实际应用添加了襟边等其他构造，有抑制应力集中的作用，实测应力值明显小于理论计算值。结合实测和分析结果，说明本桥该位置是安全的。

4 结语

（1）本文采用精细化有限元模型对大跨度钢箱系杆拱桥拱梁结合段局部应力进行分析，能有效模拟结构局部应力分布特征。计算结果表明构件应力值均小于材料容许应力，满足设计要求。

（2）施工過程对大跨度钢箱系杆拱桥拱梁结合段等复杂受力部位进行应力监测，将实测值与理论值进行对比分析，能及时掌握结构受力状态，做到安全预警及调控，对指导桥梁施工及后期运营维护有较大益处。

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