钢管混凝土下承式刚架系杆拱桥中墩拱脚局部受力分析

张文光 （新疆维吾尔自治区喀什地区交通运输局，新疆 喀什 844000）

1 引言

钢管混凝土下承式刚架系杆拱桥由于不需要副跨就能取得较大的跨越能力，在桥梁上得到较多应用。在下承式刚架系杆拱桥中，拱肋与桥墩固结，系杆看作预应力体外索，它对拱施加预应力来平衡拱的推力。对于多跨下承式刚架系杆拱桥而言，在中墩位置，两边拱肋与桥墩、横梁固结，构造十分复杂，是整个结构的关键部分，受力情况比较复杂，采用杆系计算模型很难得到实际结构的应力分布情况，因此，通常在进行整体受力分析之后，还对拱脚节点进行局部分析，以得到结构的实际受力状态。

本文以某两跨下承式刚架系杆拱桥为背景，建立其中墩的实体有限元模型，对其局部受力进行分析，分析其应力分布规律，计算结果可为类似结构的设计和计算提供参考。

2 有限元模型

图1为某两跨钢管混凝土下承式刚架系杆拱桥的中墩拱脚构造图，根据实际构造，选取几何模型包括：2.5m长的拱肋，拱脚实体部分，取一半长度11.75m帽梁。通过全桥杆系模型得到最不利荷载组合下的拱肋截面内力。拱座底部和帽梁端部为约束端，按固结考虑。

图1 几何尺寸及计算荷载

按照实际结构尺寸，采用大型通用程序ANSYS建立实体有限元模型，如图2所示。钢管采用四节点壳单元SHELL63进行分析，弹性模量E=2.06×10MPa，泊松比υ=0.3，钢材密度ρ=7850 kg/m。混凝土部分采用实体单元solid95进行分析，钢管内灌注混凝土E=3.6×10MPa，拱座和帽梁横梁E=3.45×10MPa，混凝土泊松比υ=0.17，混凝土密度ρ=2650 kg/m。

图2 有限元模型

3 计算结果及分析

图3为有限元计算的变形结果，从图可以看出，结构刚度比较大，固接区域的整体变形很小，在拱肋的荷载作用下，拱肋钢－混结合段往下挠，变形也较小。

图3 整体变形图

图4 拱座混凝土整体主拉应力云图

图5 钢－混结合部混凝土主拉应力云图

图4～图6是各部位混凝土的主拉应力云图。可以看出，拱座两边结合部位混凝土以受压为主，主拉应力比较小，基本都小于1MPa；拱肋与拱脚的钢－混结合面同样表现为受压特点，主拉应力很小。从图6横梁混凝土主拉应力云图可以看出，横梁与拱脚连接部位、横隔板与顶板连接部位均出现较小的拉应力，主拉应力最大出现在横梁支座的位置，为1.23MPa，为局部受力行为。

图6 横梁混凝土主拉应力云图

图7～图8是各部位混凝土的主压应力云图。从图可以看出，两边拱脚部位以受压为主，横梁主压应力很小，其以受弯为主。拱肋与拱脚结合部位出现较大压应力，最大主压应力最大出现在钢－混结合交结面的位置，为12.1MPa。

图7 拱座混凝土整体主压应力云图

图8 钢－混结合部混凝土主压应力云图

图9是钢管的von-mises应力等效云图，从图可以看出，由于受弯矩的作用，最大等效应力最大出现在下弦管的下翼缘。

图9 拱脚钢管von-mises等效应力云图

4 结语

本文建立了某两跨钢管混凝土下承式刚架系杆拱桥中墩的拱脚局部有限元模型，对最不利荷载组合作用下的局部受力情况进行了分析，分析结果如下：

①拱座两边结合部位、钢－混凝土结合面混凝土以受压为主，主拉应力比较小；横梁支座位置局部会出现较大的主拉应力，设计计算中应予以考虑；

②拱肋与拱脚结合部位出现较大压应力，最大主压应力最大出现在钢－混结合交结面的位置；横梁主压应力很小，以受弯为主。

③拱肋受弯作用明显，钢管的最大等效应力最大出现在下弦管的下翼缘。