钢管混凝土拱梁组合体系桥梁施工阶段拱座应力分析

邵小军

摘要：钢管混凝土拱梁组合桥梁施工采用整体吊装方案时，整体吊装后的系梁内劲性骨架处于空钢管阶段，结构受力复杂。文章以某实际桥梁为例，采用ABAQUS建立局部有限元模型，对拱肋与系梁劲性骨架连接部位的应力分布特点进行了分析。结果表明：拱肋与系梁劲性骨架连接节点应力在允许范围内，没有出现局部屈曲现象;拱肋最大Mises等效应力出现在下端管的下边缘与系梁加劲骨架上钢板交界处;系梁劲性骨架节点出现较为明显的应力集中现象，最大Mises等效应力出现在第一根斜腹杆与下弦管连接节点部位，离索力张拉端越远，节点局部应力集中程度越小。建议在系梁钢管桁架的弦管内填充混凝土，以增加整个系梁劲性骨架的刚度，并减小连接节点的应力集中程度。

关键词：钢管混凝土拱梁组合桥梁;拱座;劲性骨架;局部应力;ABAQUS

中图分类号：U443.23 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.022

文章编号：1673-4874（2019）09-0076-02

0引言

随着钢管混凝土在拱桥中的大量应用，由钢管混凝土拱肋、混凝土系梁、吊杆、横梁及桥面系形成的拱梁组合体系桥梁具有受力合理、外形美观的特点，在我国得到了广泛的应用，特别是位于软弱地基桥位的中小跨径城市桥梁.通常，此类拱梁组合体系桥梁的施工采用先梁后拱方案，先架设主梁，然后在主梁上拼装拱肋。但由于某些原因，无法采用先梁后拱方案，而采用将钢管拱肋和主梁劲性骨架先焊接成一体，整体浮运到桥位，然后现浇混凝土系梁，最后灌注拱肋混凝土的施工方法，这种施工方法可免去在水中搭设脚手架，而且施工速度也快。

在整体吊装拱肋和系梁劲性骨架后，为避免系梁产生过大的水平推力，往往先需要张拉一定量的系杆索力。此时，拱肋和劲性骨架处均为空钢管，两者连接构造和受力复杂，采用杆系结构计算很难得到实际的应力分布情况.因此，往往对此拱脚部位进行模型试验或数值分析。本文以某实际拱梁组合体系桥梁为背景，采用有限元分析方法，对整体吊装后的连接部位进行分析，了解其局部应力的分布规律和大小，并提出相应的构造措施，为相关类似工程提供参考。

1工程概况

某桥梁主桥上部结构采用下承式钢管混凝土系杆拱结构形式，全长404.2m，桥跨布置为[4x25+3x25+98.16（计算跨径95m）+5x25]m.下部结构采用柱式墩，桩基接承台群桩基础，桥梁总体布置如图1所示。主拱肋计算矢跨比为1/5，拱肋采用哑铃型钢管混凝土截面，拱肋高度为2.5m，钢管外径为100cm，壁厚16mm，混凝土系梁的劲性骨架是钢管桁架，由弦杆钢管斜腹杆、竖腹杆、钢管立柱，横向加劲肋和上下矩形加劲钢板组成。其中拱肋、加劲板及劲性骨架主桁架弦杆钢管等钢材采用Q345D鋼，其它构件采用Q235B钢。拱肋与劲性骨架的连接具体构造如图2所示。

2有限元模型

采用大型通用有限元程序软件ABAQUS建立计算模型，模型包括拱座7.0m长哑铃型主拱肋（含内外加劲肋），系梁内加劲桁架取拱座变截面6m内桁架区段、钢管立柱、上下矩形加劲钢板及其附属加劲肋。工程中钢管壁厚远小于构件尺寸，比较适合采用板壳单元，采用四节点壳单元（S4R）进行分析。模型共划分单元119975个，节点119734个。有限元模型如图3所示，模型x方向为顺桥向，y为竖向，z为橫桥向。

有限元模型施加荷载通过全桥杆系模型计算，按拱肋最不利荷载组合得到，在拱肋和纵梁选取断面加载。其中，主拱肋轴压力为2290kN，弯矩-133.99kN·m，系梁劲性骨架上弦管轴拉力为30kN，下弦管轴压力为30kN，系杆索力为960kN。在拱肋、加劲梁加载面质心位置建立节点，与加载板上其他各点形成刚臂单元。在加载板上施加轴力、剪力、弯矩等节点荷载;对于系杆索力，按照实际应力对锚垫板施加面荷载。模型约束条件为底部为固结约束端。

3计算结果及分析

图4为主拱肋钢管Mises等效应力云图，最大值出现在主拱肋下端管的下边缘与加劲梁上钢板交界处，为69.3MPa，小于钢管屈服应力345MPa。

下页图5为系梁钢管劲性骨架的Mises等效应力云图。从应力云图中可以明显看出，系梁劲性骨架各腹杆与弦杆连接节点处的应力集中很明显，最大等效应力出现在第一根斜腹杆与下弦管连接节点部位，为247MPa，由此可见，为减小连接节点处的局部集中应力，在下弦管内填充混凝土是一种比较好的办法.对于劲性骨架的组成构件，如上下钢板、立柱及弦管钢管、横撑、等肢角钢等，最大等效应力为162MPa。

为了解张拉的部分系杆索力沿劲性骨架的传力途径，选取劲性骨架上弦纵向钢管沿桥梁纵向连线作为1、2号路径;下弦纵向钢管沿桥梁纵向连线作为3、4号路径;上侧矩形加劲钢板沿纵向轴线连线作为5号路径;劲性骨架靠近预应力张拉端竖向钢管自下而上作为6号路径;劲性骨架靠近预应力张拉端斜向钢管自下而上作为7号路径。如图6所示。

图7为各构件的应力分布情况。从图7（a）中可以看出，在弯矩、剪力及管内预应力的共同作用下，劲性骨架下弦钢管为主要受力杆件，纵向弦管Mises等效应力介于5-247MPa之间，劲性骨架钢管桁架结构受力特点明显，在每个节点连接部位均出现应力集中现象，应力最大值发生在靠近预应力张拉端的劲性骨架下弦节点处，离索力张拉端越远，节点局部应力集中程度越小。从图7（b）中可以看出，拱肋与系梁劲性骨架连接处矩形钢板Mises等效应力介于2.3-42.5MPa之间，应力突变出现在与拱肋连接部位、系梁劲性骨架连接处的横向加劲肋部位，表明最大应力出现在靠预应力张拉端与拱肋的交界线处。从图7（c）、7（d）中可以看出，系梁劲性骨架竖向和斜向支管Mises等效应力介于10-120MPa之间，总体而言，应力水平在70MPa左右，由于连接节点局部应力集中的原因，应力最大值发生在靠近预应力张拉端的劲性骨架下弦节点处。

4 结语

本文通过建立某钢管混凝土拱梁组合体系桥梁的有限元局部模型，对其拱肋与劲性骨架系梁连接部位在关键施工阶段的应力分布特点进行了分析，结果如下：

（1）为解决钢管混凝土拱梁组合体系桥梁施工过程中支架的搭设问题，采用将拱肋与系梁劲性骨架焊接进行整体吊装的方法是可行的，拱肋与系梁劲性骨架连接节点应力在允许范围内，没有出现局部屈曲现象。

（2）拱肋最大Mises等效应力出现在下端管的下边缘与系梁加劲骨架上钢板交界处。系梁劲性骨架出现明显的钢管桁架结构受力特点，连接节点出现较为明显的应力集中现象，最大Mises等效应力出现在第一根斜腹杆与下弦管连接节点部位，离索力张拉端越远，节点局部应力集中程度越小。

（3）工程实际中，在整体吊装拱肋与系梁劲性骨架之前，有必要对系梁劲性骨架进行加劲处理。建议在钢管桁架的弦管内填充混凝土，不但可增加整个系梁劲性骨架的刚度，而且可以减小连接节点的应力集中现象。