三片拱肋系桿拱橋受力分析

1新型系桿混凝土結構設計該拱橋利用其合理的承受性能和優美的造型，在現代交通的繁榮中得到了廣泛應用。近年來,拱橋的發展無論在跨越能力的提高、結構型式的組合化趨勢以及各種新型材料的應用和合理組合配置等方面都有了充分的發展。系桿拱橋為一種集拱與梁優點于一身的拱梁組合體系橋,將拱與梁2種基本結構組合在一起,共同承受荷載,充分發揮了梁受彎、拱受壓的結構性能和組合作用[1~6]。常見的拱橋多有2片拱肋,多片拱肋系桿拱橋并不多見,多片拱肋系桿拱橋由于其系桿和橫梁均有預應力作用,縱、橫向預應力效應使結構受力表現出復雜的空間力學特點。本文依托驛前大橋———3片拱肋系桿拱橋,對其進行空間受力分析,以驗證結構設計的安全性。2發展造型、吊桿結構驛前大橋位于龍游縣城郊,龍游大橋南側靈山港上,橋址處河寬約260m。上部結構采用2×25m(預應力混凝土簡支組合小箱梁)+2×83m(下承式鋼筋混凝土系桿拱,見圖1)+3×25m(預應力混凝土先簡支后連續組合小箱梁),橋梁全長298.60m。主橋拱肋的理論計算跨徑為80m,計算矢高16m,矢跨比1/5,理論拱軸線方程為Y=4×16×X×(80-X)/80/80(坐標原點為理論起拱點)二次拋物線。驛前大橋主橋上部結構橫斷面示意如圖2所示。該橋主拱肋為工字形混凝土結構,中拱肋寬1.8m,邊拱肋寬1.4m,中、邊拱肋高度均為1.8m(見圖2),拱肋現澆后與拱座相連,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,在支架上分段現澆。端橫梁為現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澆;中橫梁為T形斷面,梁高1.06~1.30m,采用支架現澆與系桿相連。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應的錨具,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2×3×17套,標準索距為4.3m。吊桿編號每跨從3號孔往4號孔方向依次定義為1~17。在拱頂附近對稱設3道風撐,風撐間距15m,為工字形混凝土結構。3橋向自由度設計采用MIDASCivil2010建立主橋有限元模型(見圖3),共劃分876個節點,1062個梁單元,51個只受拉桁架單元。其中拱肋、系桿、橫梁、縱向加勁梁、風撐、懸臂段等構件采用梁單元模擬。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,對于固定支座,約束3個方向平動自由度,對于單向滑動支座,約束豎向和順(或橫)橋向自由度,對于雙向滑動支座,僅約束豎向自由度;所有支座均釋放其所有轉動自由度。施工過程中的支架采用節點彈性支承(只受壓)模擬。模型以中拱肋左側支座處對應系桿節點為坐標原點,順橋向為x軸,橫橋向為y軸,豎向為z軸。計算考慮了結構自重、預應力、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、縱向加勁梁及風撐等構件采用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15Фs15.2四種規格鋼絞線,中、端橫梁鋼絞線控制張拉應力為1339.2MPa,中、邊系桿鋼絞線控制張拉應力為1302MPa。主橋共有2孔,先施工的3號孔跨系桿采用兩端張拉,后施工的4號孔跨系桿采用單端張拉。行車道板(預制)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個步驟依次完成,要求橫向3片拱肋及順橋向沿橋跨對稱的6根吊桿同時對稱進行張拉。汽車荷載為公路-Ⅰ級,雙向6車道。溫度作用按照結構整體溫差±20℃考慮[3~6]。4施工階段的結構位移和應力計算公式4.1施工階段劃分該橋施工階段劃分時,考慮各主要施工過程,以及成橋后運營階段,混凝土收縮、徐變的影響等,共劃分21個施工階段。4.2從力學分析角度確定應力錨點及張拉系桿安裝偏位本文選取3號孔跨邊拱肋和系桿上對應吊桿位置及支座處的節點,計算其施工全過程至成橋后3年徐變產生的位移。由于篇幅限制,僅列出系桿預應力束張拉時,10~17號吊桿及支座位置處的節點在成橋3年后的位移值(見表1)。由表1可以看出,該橋的力學行為表現出空間效應,即在順橋向、橫橋向及豎向均發生了位移,這一點在施工和監控中必須注意,即該橋施工和監控中,除計算其豎向撓度及施工時的立模標高,以保證成橋線形符合設計線形之外,還必須關注結構順橋向及橫橋向位移,避免吊桿發生偏位;另外,需要預先設置支座偏移量,以免由于張拉系桿預應力束、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。通過上述結果對比還可看出,系桿預應力束采用兩端張拉和單端張拉2種方法,結構發生的位移基本相同,其最大差值僅為1.1mm(支座順橋向位移),說明2種張拉方式對結構位移的影響非常小,可以忽略不計。4.3拱腳節點局部分析在施工階段的應力驗算中,安裝行車道板、張拉中橫梁第2批預應力束階段,邊系桿兩端(支座附近位置)截面存在法向拉應力超標的情況(最大法向拉應力達到3.26MPa);系桿預應力束無論是采用兩端張拉還是單端張拉,所引起的結構施工階段法向壓應力差值最大值僅為0.8MPa。拱腳是系桿拱橋的關鍵部位,橋跨所受的全部荷載均由拱腳傳至支座。拱腳處的結構構造和受力情況很復雜,拱肋、系桿、橫梁、支座在此交匯,互相影響,采用梁單元難以對其受力情況進行準確和仔細模擬[8~11]。為確保工程安全,在用梁、桿單元進行全橋整體計算分析之后,采用通用結構分析軟件ANSYS針對拱腳節點進行了局部應力分析,計算工況為整體計算時拱腳附近應力超標的施工階段。為避免應力邊界條件對關注區域的影響造成應力失真,拱腳節點局部分析模型(見圖4)中,沿順橋向取5.5m長的拱肋和7.1m長的系桿,橫橋向取0.6m長的端橫梁。將全橋整體計算中安裝行車道板、張拉中橫梁第2批預應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,預應力采用等效集中力加載。截取的局部模型約束不夠,在空間是一個機動體系,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構。根據圣維南原理,加載處將會出現應力失真,但這部分區域并不在該次研究范圍之內。圖5給出了拱腳順橋向正應力、主拉應力和主壓應力云圖。從局部計算結果可以看出,正應力中最大壓應力為-2.78MPa,拉應力非常小,幾乎未出現;拱腳最大主拉應力為1.59MPa,最大主壓應力為-3.52MPa,均出現在拱腳底面位置,說明外部荷載都已傳遞到拱腳底部,結構受力合理。拱腳局部應力計算結果滿足施工階段應力要求。5在運營階段，全球電壓和位移驗證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最不利組合下邊系桿荷載效應及截面強度。圖8和圖9分別給出了正常使用極限狀態最不利組合下拱肋和系桿的應力包絡圖。由圖6~圖9可以看出,在運營階段,拱肋全截面受壓,最大壓應力為-14.3MPa,符合拱肋主要受壓的結構受力要求;系桿由于預應力作用也承受壓力,最大壓應力為-14.4MPa,滿足A類部分預應力混凝土構件的設計要求,且結構最大應力值滿足規范要求,具備足夠的應力安全儲備。系桿抗彎和抗剪承載力均能滿足結構最不利荷載效應。5.2拱肋下吊桿力對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橫梁傳給拱架結構的系桿上,并通過吊桿傳至拱肋,使其發生向下的位移。經計算拱頂最大位移為31.7mm;由于吊桿力的作用,系桿發生向上的位移,系桿跨中位置最大位移為11.6mm(見圖10)。徐變作用將使拱肋與系桿均產生向下的位移,在施工及監控時必須考慮徐變的影響,使成橋線形符合設計要求。6結構體系的安全保障本文針對一座3片拱肋的系桿拱橋進行計算分析,研究其空間力