三片拱肋系桿拱橋受力分析

三片拱肋系桿拱橋受力分析

1新型系桿混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)該拱橋利用其合理的承受性能和優(yōu)美的造型，在現(xiàn)代交通的繁榮中得到了廣泛應(yīng)用。近年來(lái),拱橋的發(fā)展無(wú)論在跨越能力的提高、結(jié)構(gòu)型式的組合化趨勢(shì)以及各種新型材料的應(yīng)用和合理組合配置等方面都有了充分的發(fā)展。系桿拱橋?yàn)橐环N集拱與梁優(yōu)點(diǎn)于一身的拱梁組合體系橋,將拱與梁2種基本結(jié)構(gòu)組合在一起,共同承受荷載,充分發(fā)揮了梁受彎、拱受壓的結(jié)構(gòu)性能和組合作用[1~6]。常見(jiàn)的拱橋多有2片拱肋,多片拱肋系桿拱橋并不多見(jiàn),多片拱肋系桿拱橋由于其系桿和橫梁均有預(yù)應(yīng)力作用,縱、橫向預(yù)應(yīng)力效應(yīng)使結(jié)構(gòu)受力表現(xiàn)出復(fù)雜的空間力學(xué)特點(diǎn)。本文依托驛前大橋———3片拱肋系桿拱橋,對(duì)其進(jìn)行空間受力分析,以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性。2發(fā)展造型、吊桿結(jié)構(gòu)驛前大橋位于龍游縣城郊,龍游大橋南側(cè)靈山港上,橋址處河寬約260m。上部結(jié)構(gòu)采用2×25m(預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支組合小箱梁)+2×83m(下承式鋼筋混凝土系桿拱,見(jiàn)圖1)+3×25m(預(yù)應(yīng)力混凝土先簡(jiǎn)支后連續(xù)組合小箱梁),橋梁全長(zhǎng)298.60m。主橋拱肋的理論計(jì)算跨徑為80m,計(jì)算矢高16m,矢跨比1/5,理論拱軸線方程為Y=4×16×X×(80-X)/80/80(坐標(biāo)原點(diǎn)為理論起拱點(diǎn))二次拋物線。驛前大橋主橋上部結(jié)構(gòu)橫斷面示意如圖2所示。該橋主拱肋為工字形混凝土結(jié)構(gòu),中拱肋寬1.8m,邊拱肋寬1.4m,中、邊拱肋高度均為1.8m(見(jiàn)圖2),拱肋現(xiàn)澆后與拱座相連,拱腳段拱肋、系桿混凝土與端橫梁混凝土在支架上整體澆筑成拱座。系桿采用矩形實(shí)心斷面,中系桿寬1.8m,邊系桿寬1.4m,系桿高度均為1.8m,在支架上分段現(xiàn)澆。端橫梁為現(xiàn)澆混凝土單箱單室箱梁,梁高1.82~2.06m,與拱腳混凝土在支架上整體現(xiàn)澆;中橫梁為T形斷面,梁高1.06~1.30m,采用支架現(xiàn)澆與系桿相連。行車道板為鋼筋混凝土空心斷面,板厚26cm,采用預(yù)制安裝。吊桿采用成品束,為GJ鋼絞線整束擠壓拉索體系,兩端均設(shè)球形墊板,中拱肋吊桿采用GJ15-22型,邊拱肋吊桿采用GJ15-16型,采用GJ鋼絞線整束擠壓拉索體系對(duì)應(yīng)的錨具,上方拱肋端為張拉端,下方行車道橫梁端為固定端。吊桿為平行垂直布置的平面索,全橋共設(shè)2×3×17套,標(biāo)準(zhǔn)索距為4.3m。吊桿編號(hào)每跨從3號(hào)孔往4號(hào)孔方向依次定義為1~17。在拱頂附近對(duì)稱設(shè)3道風(fēng)撐,風(fēng)撐間距15m,為工字形混凝土結(jié)構(gòu)。3橋向自由度設(shè)計(jì)采用MIDASCivil2010建立主橋有限元模型(見(jiàn)圖3),共劃分876個(gè)節(jié)點(diǎn),1062個(gè)梁?jiǎn)卧?51個(gè)只受拉桁架單元。其中拱肋、系桿、橫梁、縱向加勁梁、風(fēng)撐、懸臂段等構(gòu)件采用梁?jiǎn)卧M。吊桿采用只受拉桁架單元模擬。支座為盆式橡膠支座,采用一般支承模擬,對(duì)于固定支座,約束3個(gè)方向平動(dòng)自由度,對(duì)于單向滑動(dòng)支座,約束豎向和順(或橫)橋向自由度,對(duì)于雙向滑動(dòng)支座,僅約束豎向自由度;所有支座均釋放其所有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。施工過(guò)程中的支架采用節(jié)點(diǎn)彈性支承(只受壓)模擬。模型以中拱肋左側(cè)支座處對(duì)應(yīng)系桿節(jié)點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),順橋向?yàn)閤軸,橫橋向?yàn)閥軸,豎向?yàn)閦軸。計(jì)算考慮了結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力、混凝土收縮徐變、行車道板重、橋面鋪裝、吊桿張拉力、汽車荷載、人群荷載、溫度作用等因素。拱肋、系桿、橫梁、縱向加勁梁及風(fēng)撐等構(gòu)件采用C50混凝土,中、端橫梁懸臂段采用C40混凝土。中橫梁、端橫梁、邊系桿、中系桿分別采用6Фs15.2、7Фs15.2、10Фs15.2和15Фs15.2四種規(guī)格鋼絞線,中、端橫梁鋼絞線控制張拉應(yīng)力為1339.2MPa,中、邊系桿鋼絞線控制張拉應(yīng)力為1302MPa。主橋共有2孔,先施工的3號(hào)孔跨系桿采用兩端張拉,后施工的4號(hào)孔跨系桿采用單端張拉。行車道板(預(yù)制)和橋面鋪裝作為荷載考慮,等效模擬為作用在橫梁上的均布線荷載。吊桿張拉力采用初拉力荷載加載,每次吊桿張拉均分9個(gè)步驟依次完成,要求橫向3片拱肋及順橋向沿橋跨對(duì)稱的6根吊桿同時(shí)對(duì)稱進(jìn)行張拉。汽車荷載為公路-Ⅰ級(jí),雙向6車道。溫度作用按照結(jié)構(gòu)整體溫差±20℃考慮[3~6]。4施工階段的結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力計(jì)算公式4.1施工階段劃分該橋施工階段劃分時(shí),考慮各主要施工過(guò)程,以及成橋后運(yùn)營(yíng)階段,混凝土收縮、徐變的影響等,共劃分21個(gè)施工階段。4.2從力學(xué)分析角度確定應(yīng)力錨點(diǎn)及張拉系桿安裝偏位本文選取3號(hào)孔跨邊拱肋和系桿上對(duì)應(yīng)吊桿位置及支座處的節(jié)點(diǎn),計(jì)算其施工全過(guò)程至成橋后3年徐變產(chǎn)生的位移。由于篇幅限制,僅列出系桿預(yù)應(yīng)力束張拉時(shí),10~17號(hào)吊桿及支座位置處的節(jié)點(diǎn)在成橋3年后的位移值(見(jiàn)表1)。由表1可以看出,該橋的力學(xué)行為表現(xiàn)出空間效應(yīng),即在順橋向、橫橋向及豎向均發(fā)生了位移,這一點(diǎn)在施工和監(jiān)控中必須注意,即該橋施工和監(jiān)控中,除計(jì)算其豎向撓度及施工時(shí)的立模標(biāo)高,以保證成橋線形符合設(shè)計(jì)線形之外,還必須關(guān)注結(jié)構(gòu)順橋向及橫橋向位移,避免吊桿發(fā)生偏位;另外,需要預(yù)先設(shè)置支座偏移量,以免由于張拉系桿預(yù)應(yīng)力束、混凝土收縮徐變等作用引起支座順橋向的位移,造成支座剪切破壞。通過(guò)上述結(jié)果對(duì)比還可看出,系桿預(yù)應(yīng)力束采用兩端張拉和單端張拉2種方法,結(jié)構(gòu)發(fā)生的位移基本相同,其最大差值僅為1.1mm(支座順橋向位移),說(shuō)明2種張拉方式對(duì)結(jié)構(gòu)位移的影響非常小,可以忽略不計(jì)。4.3拱腳節(jié)點(diǎn)局部分析在施工階段的應(yīng)力驗(yàn)算中,安裝行車道板、張拉中橫梁第2批預(yù)應(yīng)力束階段,邊系桿兩端(支座附近位置)截面存在法向拉應(yīng)力超標(biāo)的情況(最大法向拉應(yīng)力達(dá)到3.26MPa);系桿預(yù)應(yīng)力束無(wú)論是采用兩端張拉還是單端張拉,所引起的結(jié)構(gòu)施工階段法向壓應(yīng)力差值最大值僅為0.8MPa。拱腳是系桿拱橋的關(guān)鍵部位,橋跨所受的全部荷載均由拱腳傳至支座。拱腳處的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和受力情況很復(fù)雜,拱肋、系桿、橫梁、支座在此交匯,互相影響,采用梁?jiǎn)卧y以對(duì)其受力情況進(jìn)行準(zhǔn)確和仔細(xì)模擬[8~11]。為確保工程安全,在用梁、桿單元進(jìn)行全橋整體計(jì)算分析之后,采用通用結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS針對(duì)拱腳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了局部應(yīng)力分析,計(jì)算工況為整體計(jì)算時(shí)拱腳附近應(yīng)力超標(biāo)的施工階段。為避免應(yīng)力邊界條件對(duì)關(guān)注區(qū)域的影響造成應(yīng)力失真,拱腳節(jié)點(diǎn)局部分析模型(見(jiàn)圖4)中,沿順橋向取5.5m長(zhǎng)的拱肋和7.1m長(zhǎng)的系桿,橫橋向取0.6m長(zhǎng)的端橫梁。將全橋整體計(jì)算中安裝行車道板、張拉中橫梁第2批預(yù)應(yīng)力束施工階段得到的彎矩、軸力和剪力等效加載在局部模型邊界面上,其中,軸力和剪力等效為均布荷載,彎矩等效為作用在截面上、下緣的均布荷載形成的力偶,預(yù)應(yīng)力采用等效集中力加載。截取的局部模型約束不夠,在空間是一個(gè)機(jī)動(dòng)體系,因此,除在支座處約束豎向(z)位移外,還需在端橫梁邊界處約束順橋向(x)及橫橋向(y)位移,使局部模型成為靜定結(jié)構(gòu)。根據(jù)圣維南原理,加載處將會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力失真,但這部分區(qū)域并不在該次研究范圍之內(nèi)。圖5給出了拱腳順橋向正應(yīng)力、主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力云圖。從局部計(jì)算結(jié)果可以看出,正應(yīng)力中最大壓應(yīng)力為-2.78MPa,拉應(yīng)力非常小,幾乎未出現(xiàn);拱腳最大主拉應(yīng)力為1.59MPa,最大主壓應(yīng)力為-3.52MPa,均出現(xiàn)在拱腳底面位置,說(shuō)明外部荷載都已傳遞到拱腳底部,結(jié)構(gòu)受力合理。拱腳局部應(yīng)力計(jì)算結(jié)果滿足施工階段應(yīng)力要求。5在運(yùn)營(yíng)階段，全球電壓和位移驗(yàn)證5.1拱肋受力分析圖6和圖7分別給出了承載能力極限狀態(tài)最不利組合下邊系桿荷載效應(yīng)及截面強(qiáng)度。圖8和圖9分別給出了正常使用極限狀態(tài)最不利組合下拱肋和系桿的應(yīng)力包絡(luò)圖。由圖6~圖9可以看出,在運(yùn)營(yíng)階段,拱肋全截面受壓,最大壓應(yīng)力為-14.3MPa,符合拱肋主要受壓的結(jié)構(gòu)受力要求;系桿由于預(yù)應(yīng)力作用也承受壓力,最大壓應(yīng)力為-14.4MPa,滿足A類部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的設(shè)計(jì)要求,且結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值滿足規(guī)范要求,具備足夠的應(yīng)力安全儲(chǔ)備。系桿抗彎和抗剪承載力均能滿足結(jié)構(gòu)最不利荷載效應(yīng)。5.2拱肋下吊桿力對(duì)系桿位移的影響成橋后,作用在橋面系的荷載由橋面鋪裝和行車道板經(jīng)橫梁傳給拱架結(jié)構(gòu)的系桿上,并通過(guò)吊桿傳至拱肋,使其發(fā)生向下的位移。經(jīng)計(jì)算拱頂最大位移為31.7mm;由于吊桿力的作用,系桿發(fā)生向上的位移,系桿跨中位置最大位移為11.6mm(見(jiàn)圖10)。徐變作用將使拱肋與系桿均產(chǎn)生向下的位移,在施工及監(jiān)控時(shí)必須考慮徐變的影響,使成橋線形符合設(shè)計(jì)要求。6結(jié)構(gòu)體系的安全保障本文針對(duì)一座3片拱肋的系桿拱橋進(jìn)行計(jì)算分析,研究其空間力