铁路大跨连续梁拱桥拱座局部应力分析

摘  要：连续梁拱桥的拱座是该类桥梁受力最复杂的部分，为掌握其应力分布，本文根据某大跨度连续梁桥建立精细化实体模型，采用C3D10十结点二次四面体单元，计算分析了各关键施工阶段拱脚应力的空间分布特征及其传力特性。由纵向应力云图分析结果可知，各施工阶段拱座纵向主要以受压为主，局部出现拉应力，但拉应力值不大，符合规范要求;由第一主应力云图可以看出，拱座横梁过人孔处容易出现应力集中，建议在拉力过大区域进行抗裂设计。

关键词：连续梁拱桥;拱座;有限元分析;应力云图

中图分类号：U441.5;U448.22

0  引    言

近年来，随着高速铁路的飞速建设，为满足跨越能力，出现了许多新型打垮桥梁结构形式，预应力混凝土连续梁拱组合桥就是其中一种^[1]。该桥型具有较大的竖向刚度和优越的动力性能，同时还综合了吊杆拱桥和连续梁桥强度高、跨越能力大、自重小、经济性好等优点^[2-4]。多年的工程实践已证明，连续梁拱组合桥具有良好的变形能力、抗风抗震性能好、抗疲劳性好等特点^[5]。连续梁拱组合桥拱座是主要的承重构件和传力构件^[6]，其受力较为复杂，已有的研究中发现拱座容易出现混凝土开裂等问题^[7]，目前相关的理论研究已无法满足工程实践的需求，且现行的设计规范中均未有相关的设计要求。因此，对拱座的受力分析，研究传力机制就显得十分必要。

本文依据实际工程对一座下承式连续梁拱桥的拱座进行分析，研究该跨径下的连续梁拱桥拱座的受力特性及传力机制，并为该类桥梁的施工提供一些参考建议。

1  拱座局部模型

1.1  工程概况

主桥采用72+128+72m预应力混凝土连续梁与中孔钢管混凝土加劲拱组合结构体系。拱轴线采用二次抛物线，中孔跨度128m，矢高21.333m，矢跨比1/6。拱肋采用哑铃型钢管混凝土截面。钢管直径1.0m，拱肋全高3m，腹板宽0.6m，拱脚局部加宽到1.0m，上下钢管及腹腔内灌注补偿收缩混凝土，两榀拱肋中心距12.8m，吊杆间距6.0m，中跨共设18对吊杆，每侧18根。全桥共设3道一字形撑和4道K形撑，一字形撑及K形撑的横撑采用直径1.0m、全高1.5m的圆端形截面，K形撑的斜撑采用直径0.9m的圆形钢管截面。桥梁上部结构立面图和平面图如图1所示。

1.2  有限元模型

本桥拱座局部采用有限元软件进行实体建模，按拱座模型按实际尺寸进行建立，拱肋沿拱轴线伸出2m，纵桥向箱梁按支座中心线对称各取10m梁段，横桥向取桥面全宽18m。模型中的X、Y、Z方向分别是实体桥梁的横桥向、竖桥向、纵桥向。靠近中跨一侧为右截面，对称侧为左截面。如图2所示是拱脚局部实体模型图。

1. 边界荷载：拱座底部采用完全固结，拱肋伸入拱座部分采用绑定约束。左右截面弯矩施加参考点分别与左右断面耦合。拱座轴力和拱肋轴力等效为压强施加在相应截面上。

1. 网格划分：网格划分采用C3D10，十结点二次四面体单元，整个模型共划分85909个结点，53575个单元。

1.3  荷載工况选取

本桥根据桥梁施工过程，选取不同施工阶段的拱脚受力进行分析研究。采用两部分析法，首先用有限元软件Midas Civil建立全桥模型进行施工阶段受力分析，按照成桥过程提取不同施工阶段最不利荷载工况下相应断面的轴力、弯矩，然后按照静力等效的原则施加到拱座局部模型上进行受力分析，以评估施工过程中拱座的安全性。其中轴力和弯矩荷载提取中考虑了恒荷载、施工荷载、钢束预应力以及混凝土的收缩徐变。

2  有限元计算结果分析

2.1  工况一应力结果分析

拱肋伸入段与零号块一起浇筑，当主梁浇筑完成后，此时拱肋无轴力，整个拱座以受压为主，局部出现拉应力。在横桥向两拱脚之间中腹板四周出现较大拉应力为0.778MPa，如图6所示。纵桥向在拱脚上三角区域出现较大拉应力0.438MPa，如图7所示。由第一主应力可以看出，由于较大弯矩作用拱脚上部出现拉应力。

2.2  工况二应力结果分析

主梁施工完毕，安装好拱肋之后，拱座横桥向与工况一相同，在两拱脚之间中腹板四周出现较大拉应力0.912MPa，如图9所示。纵桥向在拱脚上三角区域出现较大拉应力1.003MPa，在左右截面边腹板处出现较大压应力-13.99Mpa，如图10所示。由第一主应力云图可以看出拱肋伸入拱脚处上侧局部出现拉应力，最大值为2.787Mpa，此外零号块横梁处也会出现较大的局部拉应力。整个拱座以受压为主，最大压应力为-10.25Mpa，如图11所示。

2.3  工况三应力结果分析

拱肋浇筑完毕，吊杆张拉之后，拱座横桥向与工况二相同，在两拱脚之间中腹板四周出现较大拉应力，最大拉应力为1.38MPa，如图12所示。纵桥向在拱脚上三角区域出现0.85MPa的拉应力，在左右截面边腹板处出现较大压应力为-11.5Mpa，如图13所示。由第一主应力云图可以看出拱肋伸入部分与拱脚接触面间出现局部较大拉应力为2.685Mpa，零号块横梁部分也会出现局部较大拉应力。整个拱座以受压为主，最大压应力为-13.52Mpa，如图14所示。

2.4  工况四应力结果分析

吊杆张拉完毕，二期恒载作用之后，拱座横桥向与工况三相同，在两拱脚之间中腹板四周出现较大拉应力，最大拉应力为1.79MPa，如图15所示。纵桥向在拱脚上三角区域出现0.817MPa的拉应力，在左右截面边腹板处出现较大压应力为-15.83Mpa，如图16所示。由第一主应力云图可以看出拱肋伸入部分与拱脚接触面间出现局部较大拉应力为2.668Mpa，零号块横梁部分也会出现局部较大拉应力。整个拱座以受压为主，最大压应力为-13.99Mpa。

2.5  工况五应力结果分析

拱肋浇筑完毕，吊杆张拉之后，拱座横桥向与工况二相同，在两拱脚之间中腹板四周出现较大拉应力，最大拉应力为1.79MPa，如图18所示。纵桥向在拱脚上三角区域出现0.817MPa的拉应力，在左右截面边腹板处出现较大压应力为-15.83Mpa，如图19所示。由第一主应力云图可以看出拱肋伸入部分与拱脚接触面间出现局部较大拉应力为2.668Mpa，零号块横梁部分也会出现局部较大拉应力。整个拱座以受压为主，最大压应力为-13.99Mpa。

3  结语

通过对不同施工阶段拱脚节点的空间有限元分析计算，得到以下主要结论。

（1）拱座受力比较复杂，整个施工过程中以受压为主，局部会出现拉应力，但均小于混凝土的抗拉、抗压强度设计值，整个施工过程拱座具有较好的安全储备。

（2）整个施工过程中，拱座在两拱脚之间中腹板四周及拱脚上三角区域会出现较大拉应力，建议加大这部分构造筋的布置或加强横向预应力筋的布置避免应力集中使混凝土开裂。

（3）拱肋受力传递路径主要集中在开始伸入拱脚的部分，即增加拱肋伸入拱脚的长度并不能明显改善拱脚的受力，为避免应力集中建议在拱肋插入拱脚周围设置加劲钢板并与拱肋焊接，且将加劲钢板通过焊钉焊接在拱脚内部钢筋上。

参考文献：

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[4]盛淑敏.京杭运河特大桥连续梁拱组合体系拱脚应力分析[J].现代城市轨道交通，2010（3）：55-61.

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[6]陈后军.大跨度钢管混凝土拱桥拱座局部应力研究[J].世界桥梁，2009（2）：54-56.

[7]刘国光，刘群，潘哲，等.下承式刚性系杆拱桥拱座结点受力特点分析[J].科学技术与工程，2013，13（12）：3327-3330.

作者信息：常枫（1961-），男，汉族，工程师，研究方向：桥梁工程及桥梁施工，