新旧刚架拱桥横向连接前后力学性能分析

2018-04-25于龙

西部交通科技 2018年1期

于龙

(广西壮族自治区林业勘测设计院，广西南宁 530011)

刚架拱桥是在1976年由交通部公路科学研究院研究出的一种新桥型[1]，这种桥型节省钢材，可以充分发挥混凝土的抗压能力，结构质量轻，便于水上施工，在20世纪80年代得到了广泛应用，但是，随着中国经济的发展，交通运输行业日益发达，公路桥梁上的超载现象十分严重，而刚架拱桥横向联系不强，超载潜力小，故现在大部分20世纪修建的刚架拱桥出现了不同程度的损害[2]，主要的病害包括拱肋、拱脚、横向连接构件出现裂缝、桥面铺装严重破损等[3]，故研究刚架拱桥加固及其力学性能分析，有助于结构安全。

某座刚架拱桥，因道路扩宽，其旁修建了相同尺寸的另外一座刚架拱桥，施工中并没有将两座刚架拱桥横向连接，考虑到可靠的横向连接可能有助于使结构受力分配更加合理，因此，采用数值模拟软件ANSYS，建立两座刚架拱桥相连接前后的模型，分析其静力特性及动力参数，研究将新旧刚架拱桥连接是否合理。

1 刚架拱桥建模

该旧刚架拱桥2#桥与新刚架拱桥1#桥的结构、尺寸、材料一致，L/2上部构造设计图如图1所示，跨中横向示意图如图2所示，拱腿、主拱厚度均为30 cm，横向共有五片主梁，相邻主梁间有11片15 cm×50 cm×150 cm横梁及2片15 cm×150 cm×150 cm横梁进行连接，相邻拱腿间有2片15 cm×50 cm×150 cm横梁进行连，设计荷载为公路-I级。现状两座桥未设置横向连接，拟采用湿浇钢筋混凝土对1#桥、2#桥进行连接，连接构件长度为3.5 m。

图1 某刚架拱桥L/2上部构造设计图

图2 刚架拱桥跨中横向示意图

图3 连接前单座刚架拱桥模型图

图4 连接后双座刚架拱桥模型图

采用ANSYS建模，连接前的1#、2#桥完全对称，故简化为单座刚架拱桥模型(如图3所示)，连接后双座刚架拱桥模型如图4所示。对应构件的弹性模量模型取值相同，采用SOLID45单元，拱肋、斜撑、拱腿、弦杆有C40混凝土和钢筋组成，配筋率为6.14%，按公式(1)进行整体弹性模量的计算[4]，得出弹性模量为4.28×1 010 Pa，密度为2.83 kg/m3，泊松比为0.3。

ECS=(1-η)EC+ηES

(1)

式中，ECS——构件换算弹性模量；

EC——混凝土弹性模量；

ES——钢筋弹性模量；

η——构件的配筋率，η<2%时不考虑钢筋对混凝土弹模的影响[5]。

由于桥面铺装、横隔梁、连接构件的配筋率较低，因此其弹性模量取为C30混凝土弹性模量，即为3×104MPa，密度取为2.50×103kg/m3，泊松比为0.3。

固结模型拱脚端部，铰接斜撑端部，弦杆端部仅加竖向约束，采用自由网格划分，单座刚架拱桥模型共划分出25 994个单元，连接的双座刚架拱桥模型共划分出49 073个单元。

2 两桥连接前后横向连接强度分析

2.1 有限元模拟原理

在构件的弹性工作阶段，构件所受荷载与变形成正比[6]，故通过公式(2)计算桥梁的荷载横向分配系数。

(2)

式中，ηj，i——单位荷载作用在j#梁时，i#梁的荷载横向影响坐标；

ui，j——此时i#梁的位移。

2.2 结果分析

通过计算得到各梁的荷载横向分布影响竖向坐标如表1所示，从表1得到1#～3#梁连接前后的荷载横向分布影响图如图5所示，4#～5#梁连接前后的荷载横向分布影响图如图6所示。从图中可以看出，两桥连接前后，1号桥1#～3#梁的荷载横向分布并没有明显变化，这是由于1号桥1#～3#梁离连接构件的距离较远，而刚架拱桥的横向连接偏弱，故1#～3#梁上的荷载对2#桥的影响较少，而4#～5#梁的荷载横向分布在连接后变化很大，由于连接构件4#～5#梁的部分荷载传到2#桥，故4#～5#梁的荷载横向分布趋于均匀，减小了边梁的受力，对构件有利。

表1 各梁的荷载横向分布影响竖向坐标表

图5 1#～3#梁连接前后的荷载横向分布影响示意图

图6 4#～5#梁连接前后的荷载横向分布影响示意图

2.3 上部结构受力分析

根据公路桥涵设计规范[7]，可以得到荷载设计公式(3)。

S=γ0(γGSGk+γQ1ΨC1SQ1k+γQ2ΨC2SQ2k+γQ3ΨC3SQ3k)

(3)

式中，γ0——结构重要性系数，取为1.0；

γG——永久荷载分项系数，取为1.35；

SGk——永久荷载标准值；

γQ1——汽车分布荷载分项系数，取为1.4；

SQ1k——汽车分布荷载标准值，取为10.5 kN/m；

γQ2——集中荷载分项系数，取为1.4；

SQ2k——集中荷载标准值，取为356 kN；

γQ3——人群荷载标准值，取为3.5 kN/m；

SQ3k——人群荷载分项系数，取为1.4；

ΨC i——第i项可变荷载的组合系数，均取为0.7。

在跨中弯矩同号荷载影响线施加荷载，使跨中弯矩达到最大值，采用ANSYS的非线性计算方法，得到上部结构在设计荷载作用下，桥梁的最大位移、最大压应力、最大拉应力，列于表2，1#桥的最大主应力图如图7所示，1#桥、2#桥连接后最大主应力图如图8所示。从图中可以看出，连接前后，各桥的最大位移出现的位置大致相同，且最大位移小于跨度的1/600，最大压应力小于C40混凝土的设计值，符合规范要求；所不同的是，在两桥连接后，最大位移、最大压应力均有所减少，最大压应力和最大拉应力出现的点均出现转移，这是由于横向连接改变了桥梁的受力分布所致，证明两桥间添加横向连接有助于提高桥梁的承载能力。值得注意的是，现实工程中，普通钢筋混凝土桥梁允许少混凝土部分开裂，从表2也可以看出，连接后最大拉应力有所增加，甚至超过了C40混凝土的强度设计值，但是小于其标准值，应该引起设计人员的注意。连接前后，1、2#桥的大节点、小节点处均出现应力集中，数值在15～17 MPa间，连接后应力集中稍微减弱，但仍然在14～16 MPa之间。

表2 刚架拱桥设计荷载作用计算结果表

图7 连接前结构主应力图

图8 连接后结构主应力图

3 动力性能分析

采用ANSYS的模态分析功能对连接前后的刚架拱桥进行动力学分析，得出其固有频率，列于表3。从表中可以看出，连接后的刚架拱桥的前三阶固有频率均比连接前得刚架拱桥大，后三阶固有频率对比规律不明显。实际工程中，桥梁的振型可以看成为各阶振型的组合[8]，较低阶的振型占总振型的比重越大，而固有频率越高，则说明需要的条件越多，故越难发生，因而可以知道连接后的钢架拱桥的动力性能有所提高，有助于承载能力的提高[9]。从振型来看，连接前后的前几阶振型变化不大，后几阶振型变化较大，但是由于前两阶振型所占比例很大，故可以说明连接前后桥梁实际振型相差不远。