连续刚构拱桥梁拱结合部位的

陈斌

摘 要：建立了预应力混凝土连续刚构拱桥梁拱结合部位的三维有限元空间模型，模拟了该部位在最不利荷载工况下的受力情况。计算结果表明，横梁、拱脚部位受力较均匀且以受压为主，总体受力较合理且满足设计要求，该计算结果为工程设计和施工提供了合理的依据。

关键词：连续刚构拱桥；梁拱结合部位；局部受力；有限元

中图分类号：U441 文献标识码：A

将预应力混凝土连续刚构桥与钢管混凝土拱肋组合，形成造型美观、受力合理的连续刚构拱桥，继承了连续刚构桥和吊杆拱桥跨越能力较大、经济适用性好等优点。但该桥型为一种超静定结构，尤其是多方向荷载汇集的梁拱结合部位，构造设计、受力状态极为复杂，给桥梁结构设计带来一定难度。而采用传统梁单元模拟的计算结果不能真实反映该区域的受力情况。本文运用桥梁结构分析软件Midas/Civil对连续刚构拱桥进行全桥施工过程模拟，后用Midas/FEA对该桥拱梁结合区域建立有限元模型，再以Midas/Civil所建全桥模型的计算结果为依据，将相应边界的弯矩、剪力及轴力施加于Midas/FEA实体模型中，计算并分析得出该部位应力分布的一般规律，对该桥拱脚结构承载与传力安全性进行研究。

1 工程概况

重庆市合川区涪江四桥主桥特殊的地理位置决定了该桥特殊的标志性和景观需求，经综合比选后采用连续刚构拱组合体系，桥跨布置为：（84+160+84）m，如图1所示；上部结构以连续刚构为主体，并在主跨配以单拱肋进行加劲。主梁结构采用双箱双室箱梁、直腹板，施工时两箱分修，后现浇湿接段形成整体。单片箱梁宽15.75m，支座处梁高8.5m，跨中梁高3.3m，材料采用C55砼；拱肋采用圆曲线线型，矢跨比1/5，跨径160m。主拱为单圆管钢管混凝土，采用外径2000mm、壁厚28mm的Q345钢管，并设置20cm高、16mm厚纵向加劲肋；内灌C50砼。副拱设计为外径500mm、壁厚16mm的空钢管，主拱及副拱间竖向连接杆件采用顶宽400mm、底宽800mm、顺桥向宽15cm、壁厚20mm的钢箱。两副拱采用K撑相连，横向杆件采用150mm×150mm、壁厚10mm的钢箱，斜向采用厚12mm的三角钢板相连。该桥采用“先梁后拱”的施工方法，主梁采用悬臂灌注法施工，墩顶梁段在各墩顶灌注，其余各梁段采用活动挂篮悬臂灌注。

2 计算方法及有限元模型

局部模型受力以及约束状态受到全桥模型结果的影响，在进行局部分析时，必须先得到全桥整体分析所得的杆件内力，再将各杆件内力等效地施加在局部模型的截断处，在局部模型上再加上相应的位移约束条件，计算结果可反映局部受力的应力分布情况。为了准确分析拱脚处的受力状态，根据圣维南原理，需将局部模型选取得足够大，以便在边界处用等效的荷载代替实际荷载后不至于影响到所关注区域的受力状态。

为此，局部分析截取对象截取点分别为0号块左右各15m范围，拱肋距离拱座中心15m范围，以及桥墩自上向下10m范围。建立的局部分析实体模型如图2所示。

主梁、拱座、拱内混凝土及桥墩实体单元模拟，主拱外包钢管采用壳单元模拟，且不考虑混凝土与钢管间相对滑动。为便于计算，边界条件设置如下：（1）主梁及主拱梁端采用“力边界条件”：提取整体分析的计算结果，把对应位置梁单元内力的计算结果作为外力作用在该点。外力作用点通过与实际截面等效刚度的梁单元相连。其中施工过程中内力去除钢束一次矩的影响，钢束考虑预应力损失后重新张拉，张拉力为整体模型计算结果中该截面处钢束的应力。（2）主墩采用“位移边界条件”：建立与截取的主墩截面刚性连接的梁单元，其刚度与主墩相等且高度与实际主墩高度相同，并在墩底固结。

本局部分析主要关注横梁下缘及外侧、拱座与主拱结合处受力情况。因此，本文选取该部位受力最不利的两个阶段进行分析，即桥梁施工完成时及徐变十年两个阶段，并与可变载荷进行组合。其组合如下：（1）施工完成：永久恒载+汽车荷载+人群荷载+温度荷载+制动力+风荷载；（2）徐变十年：永久恒载（含十年徐变）+汽车荷载+人群荷载+温度荷载+制动力+风荷载。其中，可变荷载分别按上述两部位受力最不利情况进行布载，各荷载工况分项系数取1.0，即按弹性组合计算。

3 计算结果

综合上述两组荷载组合下的计算结果可得出梁拱结合部位的受力情况：（1）橫梁受力情况：横向正截面大部分区域处于受压状态，箱梁内局部区域出现拉应力，拉应力基本控制在0.40MPa以内（超过99.9%的区域），个别点（人孔附近）正应力为0.56MPa，如图3所示。横梁中绝大部分区域的主拉应力均控制在0.9MPa以内（超过99.8%），人孔周边局部范围主个别点为2.0MPa。横梁绝大部分区域主压应力均控制在-16.9MPa以内（超过99.8%的区域），个别点（主梁、横梁、桥墩连接点）主压应力较大，为-17.5MPa，因篇幅限值，图略；拱座受力情况：绝大部分区域的主拉应力均控制在0.94MPa以内（超过99.5%的区域），最大主拉应力出现在拱座、主梁顶板交界处，其值为1.79MPa，如图3所示。绝大部分区域主压应力控制在-12.0MPa（超过99.8%的区域），最大主压应力出现在拱座与主拱交界区域上缘，其值为-16.7MPa。

结语

通过对涪江四桥连续梁拱桥梁拱结合部位进行空间有限元分析，得出以下结论：梁拱结合部位受力复杂，横梁处因施加了横向预应力，全截面以受压为主，人孔周边区域出现拉应力；拱脚部位受力均匀，大部分区域为压应力，仅在拱座与箱梁顶板交界处出现拉应力。通过局部应力分析，不仅能对当前桥梁设计的构造尺寸进行校核，还能找出控制结构设计的关键区域，在设计中对分析结果中出现拉应力的区域采用局部构造措施予以加强。与此同时，本文中局部分析涉及的计算方法及结果可为类似工程结构设计提供参考。

参考文献

[1]肖光清，李传习，李斌.梁拱组合体系桥拱脚局部受力分析[J].公路与汽运，2014（01）：189-192.

[2]罗玮，陶诗君，陈文明.某上承式梁拱组合桥梁复杂节点局部分析[J].山西建筑，2015（16）：183-184.