某钢管混凝土拱桥拱肋拼装力学分析

王占锋,翁光远,张松雷

(陕西交通职业技术学院公路工程系,陕西西安 710018)

某钢管混凝土拱桥拱肋拼装力学分析

王占锋,翁光远,张松雷

(陕西交通职业技术学院公路工程系,陕西西安 710018)

为了研究钢管混凝土拱桥拱肋拼装过程中拱轴线偏差引起的受力性能变化规律,利用大型通用有限元计算软件建立了某钢管混凝土拱桥拱轴线不同偏差的力学计算模型,分析了拱肋轴线在不同偏差时焊缝截面的内力和应力的变化规律,提出了对焊缝截面进行加固的技术措施,并建立了与加固前相对应的计算模型,通过计算及对比分析,提出了该拱桥施工时拱轴线允许偏差的合理范围,将计算结果与现行技术规程进行对比,验证了文中所提的加固方案是可行的。

钢管混凝土拱桥;拱肋拼装;偏差;力学分析;加固

1 工程项目概况

1.1 项目概况

某主桥为一跨中承式钢管混凝土的拱桥,其计算跨径为125 m,矢高为31.25 m,矢跨比均为1/4,拱轴线为悬链线,拱轴系数为1.347。钢管混凝土拱肋为哑铃形断面,中拱肋高2.7 m,拱肋上下弦钢管直径为95 cm,均采用20mm厚钢板卷制(见图1)。内横梁采用高1.30 m的T型梁,主桥行车道板为预应力钢筋混凝土空心板梁。

1.2 工程问题

在施工过程中,由于受当地施工条件限制主拱钢管段节由原设计的30 m段节和23 m段节变更为6 m和5 m段节,单侧单管由原设计的5段4个接头,增加到24段23个接头,全桥接头由原设计的16个增加到96个。在主拱管节拼装过程中,拱轴线在每个焊缝处横向、纵向都不可避免的存在偏差,主拱钢管段节变更造成接头数量大增使拼装过程中累计偏差量较大,拱肋轴线偏离设计合理拱轴线,影响全桥的受力体系和整体稳定,桥梁存在安全问题。因此,本文就该桥在拼装过程中拱轴线偏差引起的受力性能变化规律建立有限元模型进行分析。

2 有限元模型

2.1 基本参数

为了研究验证拱肋拼装方案变化对拱桥整体受力影响,参照设计文件,应用有限元软件建立合理拱轴线为悬链线的拱桥计算模型,单个拱肋分为24段,截面形式均为哑铃型拱截面,其中拱脚处两段截面形式为组合截面Ⅰ(见图1(a)),其余为组合截面Ⅱ(见图1(b)),为了简化计算模型,建模时对哑铃型拱截面采用了“截面特性计算器”定义了组合截面计算换算截面的特性[1-3],即把钢管混凝土截面转换成一种材料的截面,然后当作单一截面计算截面特性。组合截面Ⅰ弹性模量取4.5620×104MPa,泊松比取0.22,重度取29.1 kN/m3;组合截面Ⅱ弹性模量取4.5620×104MPa,泊松比取0.22,重度取29.2 kN/m3。

图1 哑铃型拱截面

2.2 计算荷载

按照《城市桥梁设计荷载标准》(CJJ77-98)进行荷载计算和组合[4],在计算恒载时,考虑了结构重力和预加应力,在计算可变荷载时主要考虑了汽车荷载、人群荷载、风荷载,同时还考虑了偶然荷载地震力。在组合时,考虑了如下5种组合:

组合Ⅰ:结构重力+预加应力+汽车荷载+人群荷载;

组合Ⅱ:(汽车荷载+人群荷载+结构重力+预加应力)+风荷载;

组合Ⅲ:(汽车荷载+人群荷载+结构重力+预加应力)+船只或漂流物撞击荷载;

组合Ⅳ:施工阶段的结构重力+材料机具+人群荷载+风荷载+拱桥单向推力;

组合Ⅴ:结构重力+预加应力+地震力。

2.3 合理拱轴线有限元模型

采用有限元方法对该桥进行离散[5],考虑主要方面对模型进行简化,主拱肋、横撑、横梁等等效为梁单元,吊杆采用索单元模拟,桥面板采用板单元模拟。通过把各单元类型组合起来,形成统一的全桥分析模型,然后再施加所有要求的设计荷载,分不同工况,进行全桥范围内的大规模计算与分析,最后得出较为详尽、精确的结构。计算模型节点总数为198个,梁单元为185个,索单元为 36个,板单元 23个。该桥整体计算模型如图2所示。

图2 合理拱轴线钢管混凝土拱桥有限元模型

2.4 轴线偏差模型建立

根据当地焊接工艺水平情况,选取了拱肋合理拱轴线(偏差 0 cm)、轴线偏差 2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm、12 cm、15 cm 和20 cm等9种拱轴线,分别建模,在建模过程中,各种构件所采用的单元与上述合理拱轴线的单元形式相同。在不同偏差数值下,除拱脚两个截面之外的25个焊缝截面,其偏轴方向采用随机函数确定,偏轴值通过修改拱肋各分段梁单元的节点坐标来实现偏轴数值。

3 受力分析

3.1 焊缝截面内力与应力分析

通过计算建模分析发现在荷载组合Ⅱ下拱肋轴线偏差20 cm时,轴力、弯矩、应力出现最大值,并且均在拱肋的拱脚处,其弯矩、应力云图见图3。

图3 荷载组合下应力云图

上述9种轴线偏差模型在荷载组合Ⅱ下焊缝截面的轴力、弯矩、应力出现最大值,其变化情况见图4。

图4 不同偏轴值下焊缝截面轴力、弯矩和应力值

由图4可以看出,拱肋轴线不同偏差下焊缝截面轴力有微小波动,但是总体趋于平稳,在不同偏轴值下对轴力影响不大;弯矩值在偏轴10 cm以内有上下波动,超过10 cm就会出现大幅的增加,由于焊缝截面内力的影响,随着偏轴值的增大,截面应力的变化和弯矩变化类似。可以看出,偏轴值在10 cm以内焊缝截面的内力与应力变化不明显,对桥梁的受力体系影响较小。

3.2 焊缝截面加固后内力与应力分析

根据轴线偏差对内力与应力的影响程度,选取拱肋轴线偏差10 cm、12 cm、15 cm和20 cm等4种模型,参考类似桥梁的加固方案[6],在焊缝处焊接与拱肋同样厚度的钢板,钢板中心与焊缝中心对齐,宽度35 cm。建立拱桥焊缝加固模型(如图5所示)。

图5 拱肋轴线偏差20 cm焊缝加固后焊缝节点详图

对加固后拱肋轴线偏差10 cm、12 cm、15 cm和20 cm四种模型的弯矩和截面应力最大值进行分析,和加固前四种偏轴最大值进行对比,结果见图6。

图6 不同轴线偏差焊缝截面加固前后弯矩和应力值

由图6可以看出,加固后焊缝截面的弯矩和应力值有所降低,其中在拱肋轴线偏差10 cm～20 cm时,加固焊缝使截面的弯矩值降低10%左右,截面应力降低7%～9%。分析不同轴线偏差下加固前焊缝截面和加固后焊缝截面弯矩和应力值变化情况可以看出:该拱桥在施工时拱轴线偏差应控制在10 cm以内。

根据《钢管混凝土拱桥技术规程》[7](征求意见稿),在拱轴偏轴20 cm时,对最不利截面的应力进行了分析,并对加固前后的设计强度进行了计算,确定了加固前后的安全性。结果如下:

钢管混凝土组合受压强度设计值fsc应按下式计算,结果见表1。

式中:As为钢管的截面面积;Ac为核心混凝土的截面面积;ξ0为钢管混凝土的约束效应系数设计值,见式(2);fs为钢材的抗压强度设计值;fcd为混凝土的轴心抗压强度设计值。

表1 加固前后受压强度设计值fsc

通过表1计算结果可以看出,拱肋中间截面加固后比加固前设计强度提高了11%,而拱脚截面加固后比加固前设计强度提高了12%。与有限元计算模型计算加固拱脚截面应力降幅基本一致。

4 结 论

通过建立各种模型和应用技术规程分析拱桥在轴线不同偏差情况下的受力得出以下结论:

(1)在轴线偏差不超过20 cm时,钢管混凝土拱桥轴线偏差对轴力影响较小,但是对焊缝截面的弯矩和截面应力影响较大,特别是偏轴超过10 cm后,弯矩和截面应力值增幅比较快。

(2)在焊缝处焊接钢板对焊缝的弯矩和截面应力值降低有一定作用,在焊缝偏轴10 cm～20 cm时,截面的弯矩值降低10%左右,截面应力降低7%～9%。

(3)通过加固前后计算结果的对比分析可以看出:该拱桥在施工时拱轴线偏差应控制在10 cm以内。

(4)根据技术规程推荐公式验算拱脚截面加固后的设计强度,与加固前设计强度对比有所提高,能够满足桥梁使用要求。

[1]邱顺冬.桥梁工程软件常见问题解答[M].北京:人民交通出版社,2009:43-45.

[2]杨 臻,史天骄,费庆国.钢管混凝土系杆拱桥空间建模技术及其动力特性分析[J].水利与建筑工程学报,2009,7(1):42-44.

[3]赵前进.单拱肋钢筋混凝土拱桥施工仿真与稳定性分析[D].武汉:武汉理工大学,2010:32-33.

[4]建设部城市建设研究院.CJJ77-98.城市桥梁设计荷载标准[S].北京:中国建筑工业出版社,1998.

[5]季日臣,石明星.大跨径铁路钢管混凝土系杆拱桥稳定性分析[J].振动与冲击,2011,30(8):87-91.

[6]杨 忠,杨转运,杨 波.某长江大桥钢管拱桥拱肋的制作安装技术[J].交通科技与经济,2006,38(6):37-39.

[7]福建省住房与城乡建设厅.DBJ.钢管混凝土拱桥技术规程(征求意见稿)[S].福建:福建省工程建设地方标准,2010.

Mechanical Analysis for Rib Assembly Process of a Certain Concrete-filled Steel Tube Arch Bridge

WANG Zhan-feng,WENG Guang-yuan,ZHANG Song-lei
(Department of Highway Engineering,Shaanxi Vocational and Technical College of Communications,Xi'an,Shaanxi710018,China)

In order to study the variation of mechanical properties caused by the arch axis deviation during the rib assembly of concrete-filled steel tube arch bridge,the mechanical calculation model is established by using a large general finite element software,and the variation of the internal force and stress in the weld section is analyzed while the arch rib axis is at the different deviation.Based on this,the reinforcement measures for the weld section are proposed,and the corresponding calculation model is established.Through the calculation and comparative analysis,the reasonable deviation of the arch axis during construction is put forward,and then the calculation results are compared with the current technical regulations,verifying that the reinforcement scheme proposed here is feasible.

concrete-filled steel tube arch bridge;rib assembly;deviation;mechanical analysis;reinforcement

U448.22+2

A

1672—1144(2012)05—0033—04

2012-03-08

2012-04-20

国家自然科学基金重大研究计划培育资助项目(90715003);陕西省自然科学基础研究资助基金面上项目(2011JC4069);陕西省高等继续教育教学改革研究项目(11J35);陕西省教育厅重点实验室访问学者资助项目(2010JS023)

王占锋(1982—),男(汉族),陕西杨凌人,硕士,讲师,主要从事工程结构教学和科研工作。