某大跨度钢管混凝土拱桥拱座局部应力分析

某大跨度钢管混凝土拱桥拱座局部应力分析

摘要：拱座是钢管混凝土拱桥中受力较为复杂部位之一，本文采用两步有限元法，对某大跨钢管混凝土拱桥拱座的受力情况进行了分析，得到其应力分布规律，对应力集中部位提出了构造改进建议，给类似结构的设计和施工提供参考。

关键词：大跨度钢管混凝土拱桥；拱座；局部应力；圣维南原理；两步有限元法

中图分类号：f540.32文献标识码：a

abstract: the force acting on arch abutment is complex of concrete filled steel tube arch bridge. the arch abutment of a long-span concrete filled steel tube arch bridge is analyzed based on the second-order finite element method. the stress distribution is obtained and some suggestions for design and construction are recommended.

keyword: long-span concrete filled steel tube arch bridge; arch abutment; local stress; saint-venantprinciple; second-order finite element method

中图分类号：文献标识码：文章编号：

1 引言

钢管混凝土拱桥是一种造型美观，受力合理的结构形式。在近十几年间，该结构形式在我国得到迅速的发展。大跨度钢管混凝土拱

桥的拱肋由钢管和内灌混凝土构成，钢管混凝土拱肋需插入到拱座中，拱座需要承受拱肋传来的巨大轴力和弯矩，在拱肋与拱座相接的范围内，受力复杂，往往会出现应力集中的现象。目前在结构设计中，对该部位理论计算相对较少，对其应力分布情况掌握得不够明确。通过大量调查可知，许多工程结构的破坏往往是从受力比较复杂、易出现应力集中的部位开始的。拱座是钢管混凝土拱桥中受力最为复杂的部位之一，也是钢管混凝土拱桥的一个薄弱环节，在以往的设计中，由于计算不够精细，尺寸拟定不够合理，构造措施不到位，以及对关键部位的处理未加以重视，造成一些已建成的钢管混凝土拱桥的拱座出现了开裂等病害[1～3]。

为了更好地了解拱座的应力分布情况，明确应力集中的部位，本文结合某大跨度钢管混凝土拱桥，采用两步有限元法，得到了该大桥拱座在各种极端荷载工况下应力分布情况，通过分析明确了拱座的薄弱位置，并对这些部位提出构造加强措施，以便指导钢管混凝土拱桥拱座的设计与施工。

2 理论与方法

圣维南原理表明：如果把物体的一小部分边界上的面力，变换为分布不同但静力等效的面力（主矢量相同，对于同一点的主矩也相同），那么，近处的应力分布将有显著的改变，但是远处所受的影响可以不计[4]。

采用杆系单元对结构进行建模分析，能够节省计算资源，提高分

析速度，但是所得结果不能反映结构局部变形和应力状态；采用实体单元对全桥进行精细化分析，其工作量巨大，且常常会受到计算机硬件的限制而难以实现。基于以上原因，工程工作者们根据圣维南原理提出了两步有限元法，即先采用杆系单元建立整体模型得到各个杆件的内力，然后在整体分析的基础上，采用板壳、实体单元等建立结构局部有限元模型进行分析，根据圣维南原理，将整体模型分析得到的杆件内力等效的加在局部模型的截断处，最后在局部模型的边界上添加相应的位移约束条件，通过计算可以得到结构局部的应力分布情况[5]。

3 分析实例

3.1 工程概况

某大桥主桥采用净跨178米钢管混凝土中承式拱桥，矢跨比为

1/4，主拱轴线为悬链线，拱肋为钢管混凝土桁架式结构，拱肋上、下弦杆为两根φ800mm钢管+缀板形成的哑铃型截面，缀板外侧间距为600mm；整个拱肋截面高4.5m，宽2.0m，上下弦杆间用φ350×12的竖、斜腹杆连接。两道拱肋之间设有13道横撑以保证拱肋横向稳定，横撑类型有“×”字型横撑、”一”字型横撑和“k”字撑三种。横向联系钢管均采用φ600×16mm钢管。其中拱脚处“k”字撑的平联钢管灌注微膨胀c50混凝土，其余钢管均为空钢管。大桥总体布置示意图见图1。

大桥拱座顺桥向水平长12.5m，横桥向8m，垂直高10.2m。为了

增强拱座与地基的联结，底斜面设有齿坎。

图1大桥桥型布置图

3.2 结构建模

本文采用两步有限元法对大桥拱座进行分析。首先采用大型桥梁结构分析软件midas civil 2010对大桥结构进行整体分析。建模时，拱肋、斜撑、横撑采用三维空间梁单元模拟，吊杆采用只受拉桁架单元模拟。桥面采用单主梁模型来处理，横梁自重以集中力的形式加在纵梁上，以考虑横梁自重对结构受力的影响，横梁与吊杆之间采用刚性连接。拱肋中上、下弦采用的是钢管混凝土结构，整体建模时，采用联合截面来模拟，拱肋上、下弦杆分开建模，上、下弦杆之间采用腹杆进行连接。经过分析，从midas中分别提取拱肋节点(该节点为局部模型拱肋端部位置)轴力最大、剪力最大和弯矩最大时相应的内力结果作为拱座局部分析时拱肋端部的加载工况，见表1所示。

然后采用大型有限元计算软件ansys对大桥拱座进行局部应力分析，建模时钢管和缀板采用板壳shell63单元模拟，管内混凝土、缀板内混凝土及拱座混凝土采用实体单元solid45模拟，共划分了242961个单元，44639个节点。钢管与管内混凝土共节点处理，钢管与拱座混凝土采用约束方程来实现二者的连接，不考虑钢管与混凝土之间的相对滑移。建模时假定拱座不发生刚体位移，在齿坎形底面上施加所有方向上的约束。将整体分析所得三组内力计算结果

等效的加在局部模型的截断处，建模时为了减弱应力集中的影响，在拱肋加载面上设置刚性区域，将集中力分散到该面的每一个节点上。ansys有限元模型见图2。

表1整体分析内力结果表

图2 拱座局部应力分析模型

3.3计算结果

本文对表1所列三种工况均进行了分析，经过分析发现剪力最大工况所得应力结果最大，限于篇幅，本文仅给出该工况下的应力结果，见图4-图8。

(1)从图3可以看出，拱肋钢管的最大mises应力值为125mpa，该值在规范允许范围。

(2)从图4、图5可以看出，拱肋混凝土最大主拉应力为2.11 mpa，出现在拱肋的端部，这是由于在拱肋的端部施加有集中力，从而造成拱肋端部附近的混凝土出现应力集中的现象。根据圣维南原理可知，该范围内的应力值不具参考意义。而此范围以外的拱肋混凝土的主拉应力都在规范允许范围内。拱肋混凝土最大主压应力为

21.9mpa，出现拱肋与拱座相交位置处，该值虽然已接近c50混凝土的抗压强度设计值22.4mpa，但是对于钢管混凝土而言，由于钢管对混凝土的套箍作用，混凝土强度会有所提高，根据文献[6]的研究，因套箍作用可使c50钢管混凝土的抗压承载力提高16%，可