大跨无推力刚性系杆刚性组合拱桥分析建模方法及受力性能分析

2017-04-24

四川水泥 2017年4期

（重庆交通大学土木工程学院 400074）

唐旖旎

（重庆交通大学土木工程学院 400074）

为探索大跨无推力刚性系杆刚性组合拱桥的受力特性，本文以某钢箱—混凝土组合系杆拱桥为研究对象，采用MIDAS/CIVIL有限元软件对该桥进行建模和计算，分析该桥的结构特性及其受力性能。在建模时考虑单元选取、边界条件、构件连接方式、荷载处理方式。分析得出该桥的稳定性及内力，为这一类拱桥的建模方式提供理论依据。

大跨；无推力拱桥；刚性系杆刚性拱；有限元建模方法

引言：三跨式钢箱拱桥是一种极具有特色的桥型, 将刚构与拱两种基本结构形式组合起来，组合体系拱桥可划分为有推力拱和无推力拱两种类型。其中无推力的拱式组合体系受力特点是：主梁恒载及活载由吊杆传递给拱圈, 再由拱圈传递给桥墩,再由桥墩传递到基础，减小了主梁承受的弯矩，减小了主梁截面高度; 水平方向拱圈受力后将水平力传给桥墩，边拱的水平力传给主梁。该组合体系拱桥把主要承受压力的拱肋和主要承受弯矩的主纵梁结合起来共同承受桥面荷载和水平推力，充分发挥被组合的简单体系的结构特性及组合作用，具有拱桥的较大跨越能力以及简支梁桥对地基适应能力强的两大特点，保证较大的桥下净空且造型美观，是一种较优越的桥型，广泛应用于城市桥梁的建设中。

1 桥梁工程概况及结构特点

1.1桥梁工程概况

本文依据的桥型为80m+150m+80m三跨连续的下承式钢箱拱桥，桥宽 60m，拱轴线采用悬链线，矢跨比：主跨 1/4.29、边跨 1/3.64。横桥向设置 3 片竖向垂直拱肋，横向两片拱肋的间距均为24m。主拱肋和副拱肋均采用等截面钢箱，吊杆采用纵向双吊杆。主拱拱肋设置风撑 5×2 共10道，各横撑均为钢箱截面，副拱拱肋不设风撑。主纵梁截面形式为钢箱，次纵梁截面形式为工字钢，支撑横梁截面为变截面钢箱，普通横梁截面为变截面工字钢。主纵梁、次纵梁、支点横梁及普通横梁形成格子梁截面，格子梁上再设置钢板—混凝土组合桥面板。

1.2桥梁的结构特点

该桥的主纵梁和拱肋均为箱形截面，其截面的数据由表格1可知，构件的长细比可由公式：λ=μl/i得出。从表格数据可以看出，主纵梁和拱肋的截面惯性矩都比较大，长细比满足允许长细比且数值较小，为一个刚性系杆刚性拱桥，在承受拉力的同时亦能承受压力。

表1 杆件长细比单位：m

对于大跨径桥梁，系杆拉力的增量会产生很大的变形，而无推力拱桥的设计使拱、系杆和墩结合在一起共同受力，根据位移变形协调条件，拱的水平推力的增量主要由桥墩和拱自身承受，系杆的作用是对拱施加预应力以抵消拱的大部分水平推力，无推力拱降低了对下部结构和基础的要求，是拱桥的应用范围从山区扩大到了平原和城市。

2 空间有限元建模方法

2.1单元选取

通过MIDAS/CIVIL软件建立一个三跨的下承式钢箱—混凝土组合拱桥，该桥上部结构由桥面系、拱肋、吊杆及风撑 4 部分组成，横桥向设 3 片竖向垂直拱肋，桥面系包括3道主纵梁、4道次纵梁、支点横梁、普通横梁及组合桥面板。拱肋、主纵梁、次纵梁、支点横梁、普通横梁、吊杆及横撑均采用梁单元，桥面板采用板单元。

2.2边界条件

对于无推力拱桥，拱肋水平荷载直接传递给系杆，系杆能约束水平推力，刚性系杆刚性拱无推力拱桥的支座采用橡胶支座 , 可以模拟成一般铰支座约束，具体的边界条件布置如图2。

图2 支座布置图

2.3联结方式

为了使结构共同受力，纵梁与横梁之间在相交处共节点，吊杆两端分别与拱肋和主纵梁相连并共节点，拱肋与主纵梁相连在交点处共节点，桥面板与下部的纵横梁之前使用弹性连接里的刚性连接。

2.4荷载处理方式

为了减少模型量及计算量，对模型做如下简化：（1）将拱肋、纵横梁、吊杆及风撑上的横隔板、拼接板及栓钉的重量等效为均布荷载或集中荷载施加在相应的构件位置上；（2）不计桥面板的自重，将整个桥面板的重量等效为均布荷载施加在横梁上；（3）因为桥面铺装产生的荷载由纵横梁承受，而不是由桥面板承受，所以将桥面铺装的重量都等效为压力荷载作用在桥面板上，且不考虑其刚度。

3 计算模型的建立和结果分析

3.1主纵梁受力

各荷载工况包络图下：主纵梁最大负应力出现在拱脚支座处为-25.7MPa，最大正应力出现在支座边上为30.6MPa；全桥最大正弯矩出现在主纵梁端为2249.2 KN·m，最大负弯矩出现在主拱拱脚处的支座边为-4604 KN·m。

3.2主拱圈受力

在各荷载工况包络图下：主拱圈最大负应力出现在主拱跨中为-189.7MPa，最大正应力出现在主拱拱脚处的主纵梁上为182.3MPa；全桥最大正弯矩出现在主拱跨中为6603.7 KN·m，最大负弯矩出现在主拱拱脚处的主纵梁上为-29136.3 KN·m。全桥最大变形出现在拱圈上近1/4点处，其次出现在主跨跨中，最大位移为284.037mm。