双哑铃形钢管混凝土拱圈受力性能分析

唐燕

(中铁十八局集团第二工程有限公司，河北唐山063000)

双哑铃形钢管混凝土拱圈受力性能分析

唐燕

(中铁十八局集团第二工程有限公司，河北唐山063000)

以西溪河大桥为工程背景，利用有限元软件MIDAS CIVIL对双哑铃形钢管混凝土拱圈进行仿真分析。首先分析了不同荷载作用下拱圈的竖向位移，然后改变双哑铃形截面结构参数(腹板间距与盖板间距)，分析两结构参数对于拱圈挠度的影响规律。研究结果表明:双哑铃形拱圈拱顶节点对荷载敏感性较强，并由拱顶向两侧递减;腹板间距与拱圈节点竖向位移基本呈线性关系，间距增大时拱圈下挠减小;盖板间距与双哑铃形拱圈挠度不呈线形相关，当盖板间距在840～850 mm时拱圈下挠较小，有利于拱圈结构性能发挥。

双哑铃形截面 拱圈 挠度 腹板间距 盖板间距

钢管混凝土拱桥作为拱桥分支，具有结构科学、外型美观、承载力优越、跨越能力强等特点，因此钢管混凝土拱桥成为业内研究的重点。陈宝春等［1］研究了钢管混凝土拱桥静力、动力性能，并进行相关试验;韦建刚等［2］研究了初应力对于钢管混凝土拱桥影响;文献［3-6］研究了结构损伤对于混凝土极限承载能力的影响。以往研究的钢管混凝土拱桥主拱圈截面多为单圆管形，对于现在应用广泛的哑铃形截面研究相对较少。

本文利用有限元软件MIDAS CIVIL对双哑铃形拱圈进行分析，主要研究不同荷载作用下双哑铃形拱圈节点位移变化，以及双哑铃形板间距对于拱圈的影响，为相似拱桥的设计施工提供一定借鉴。

1 工程概况

新建成贵铁路西溪河大桥起始里程DK416+ 910.55，终止里程DK417+404.15，全长493.6 m，主跨为240 m上承式钢管混凝土拱桥。

主桥拱圈为钢管混凝土结构，拱趾中心跨度L为240 m。主拱拱轴线为悬链线，拱轴系数m=2.2，矢跨比约1/4.364。拱肋高5.7 m，宽3.0 m，每肋由4肢φ1 100 mm×20 mm钢管构成，其上下弦各由2肢钢管与其间的2块20 mm厚的钢板联结成哑铃形，在拱肋的全长上均为等截面;从拱趾起拱肋两端各约53.0 m范围上下弦之间各由2块16 mm厚的钢板联结，构成实腹段，使拱肋断面呈箱形。

2 有限元分析

利用大型有限元软件MIDAS CIVIL对西溪河大桥进行仿真分析。利用拱桥建模助手，有限元模型采用梁单元对主拱圈进行模拟。主拱圈钢管外径为1 100 mm，拱圈钢管及其钢板材料为Q345钢。仿真模型拱圈两端视为固结，看做是无铰拱理想状态，主拱圈钢管沿拱轴线均匀划分成60段。拱圈结构示意如图1，有限元模型示意如图2。

图1 主拱圈示意

图2 主拱圈钢管有限元模型

模型在进行有限元分析时采用五点对称加载，加载方式如图3所示。

图3 主拱圈五点加载示意

3 荷载—竖向位移曲线

有限元分析过程中，为了更加贴近实际工程，本文首先对比了单圆管钢管截面与双哑铃形钢管截面性能，分析表明双哑铃形钢管截面性能远远超过单圆管钢管截面，在此不详述。

本文共进行了11组不同荷载影响下主拱圈双哑铃形钢管竖向挠度研究。由于篇幅限制本文给出代表性3组荷载—竖向位移曲线，如图4所示。

图4 不同荷载作用下双哑铃形钢管荷载—竖向位移曲线

由图4可知，当不同荷载作用在拱圈时，双哑铃形钢管竖向挠度趋势是一致的，即拱圈中间挠度大，由拱圈中间向两侧递减。由于结构对称并且荷载作用对称，因此拱圈左右两侧挠度对称。

为了更加形象地分析荷载影响下拱圈双哑铃形钢管挠度变化，本文分别选取拱圈的L/6，2L/6，3L/6截面为研究对象，各截面荷载—竖向位移曲线如图5所示。

图5 双哑铃形钢管典型截面荷载—竖向位移曲线

由图5可知，拱圈挠度随着荷载的增加而增大，并且通过不同截面挠度值对比发现越靠近拱圈顶部挠度受荷载影响越大，拱顶下挠最明显。因此有理由认为拱圈顶部节点对荷载敏感，建议进行相关监控时选择拱顶节点为观察对象。

4 参数分析

利用有限元方法进行静力分析时，按照以下步骤进行:

1)将结构离散成有限个单元，建立坐标系;

2)建立单元刚度矩阵;

3)建立整体刚度矩阵;

4)建立结构列阵{F}=［K］{δ}。其中，{F}表示节点荷载列阵，［K］表示整体刚度矩阵，{δ}为节点位移向量;

5)求解线形方程组［7］。

为了能够优化双哑铃形钢管拱圈性能，为相关设计提供参考，本文选取左(右)腹板间距D1、上(下)盖板间距D2为研究对象。当D1，D2发生变化时，结构的刚度矩阵会发生相应改变，究竟有什么变化规律拟通过荷载—竖向位移曲线来反映。

4.1 D1变化对荷载—竖向位移曲线影响

西溪河大桥设计中拱圈双哑铃形截面D1为600 mm，D2约为848 mm。有限元分析过程中令五点施加荷载值为1 000 kN，令D1分别取480，520，560，580，600，640，680 mm，研究中取L/6，2L/6，3L/6截面为代表。具体荷载—竖向位移曲线如图6所示。

图6D1影响下荷载—竖向位移曲线

由图6可知，D1与拱圈竖向位移基本呈线性关系，当D1增大时拱圈下挠减小，同时对比不同截面竖向位移变化可知，越靠近拱圈顶部节点竖向位移受到D1变化影响越大。进行双哑铃形截面拱圈设计时，在规范许可情况下可适当增加左(右)腹板钢板间距D1。

4.2 D2变化对荷载—竖向位移曲线影响

通过上面研究可知，当双哑铃形钢管截面结构参数发生变化时，拱圈各个截面的荷载—竖向位移曲线变化趋势是相同的，因此研究D2对拱圈节点竖向位移影响时，仅选取节点位移变化较大的3L/6截面为研究对象。有限元模型中D2分别取不同值进行分析，得到D2影响下双哑铃形拱圈荷载—竖向位移曲线如图7所示。

图7D2影响下荷载—竖向位移曲线

由图7可知，上(下)盖板间距D2与双哑铃形拱圈挠度不呈线形相关。拱圈下挠值伴随着D2的增大呈现先增加后减小再增加的趋势，其中当盖板间距处于840～850 mm时拱圈下挠较小，结构性能稳定。当D2较小时双哑铃形截面稳定性减弱、抗弯性能一般;当D2较大时增加了拱圈自重。因此D2取一个中间值有利于拱圈结构性能发挥。

5 结论

1)双哑铃形拱圈拱顶节点对荷载敏感性较强，并由拱顶向两侧递减，因此进行荷载—位移监控时建议选择敏感性较强节点进行监控;

2)D1(腹板间距)与拱圈节点竖向位移基本呈线性关系，当D1增大时拱圈下挠减小，进行双哑铃形截面拱圈设计时，宜在规范许可情况下可适当增加左(右)腹板间距。

3)D2(盖板间距)与双哑铃形拱圈挠度不呈线形相关。拱圈下挠值伴随着D2的增大呈现先增加后减小再增加的趋势，其中当盖板间距处于840～850 mm时拱圈下挠较小，有利于拱圈结构性能发挥。

［1］陈宝春，韦建刚，林嘉阳.钢管混凝土拱空间受力性能分析［J］.福州大学学报(自然科学版)，2006，34(5):732-738.

［2］韦建刚，黄福云，陈宝春.初应力对钢管混凝土单圆管拱极限承载力影响的研究［J］.工程力学，2010，27(7):103-112.

［3］钟正强，刘剑.考虑结构损伤的CFST拱桥极限承载力分析［J］.中国公路学报，2012，25(1):95-100.

［4］WEI Jiangang，CHEN Baochun，WU Qingxiong，et al.Equivalent Beam-column Method to Estimate in-plane Critical Loads of Parabolic Fixed Steel Arches［J］.Bridge Engineering，2009，14(5):346-354.

［5］刘志奇，李志云.受损钢筋混凝土构件极限承载能力研究［J］.水科学与工程技术，2009(2):5-8.

［6］殷迅.钢管混凝土拱桥主要病害调查与分析［D］.重庆:重庆交通大学，2011.

［7］高峰，赵冯兵.地下结构静—动力分析中的人工边界转换方法研究［J］.振动与冲击，2011，30(11):165-170.

(责任审编孟庆伶)

U448.22

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.12.05

1003-1995(2015)12-0019-03

2015-07-20;

2015-10-15

唐燕(1981—)，女，工程师。