王占鋒,翁光遠,張松雷

(陜西交通職業(yè)技術學院公路工程系,陜西西安 710018)

某鋼管混凝土拱橋拱肋拼裝力學分析

王占鋒,翁光遠,張松雷

(陜西交通職業(yè)技術學院公路工程系,陜西西安 710018)

為了研究鋼管混凝土拱橋拱肋拼裝過程中拱軸線偏差引起的受力性能變化規(guī)律,利用大型通用有限元計算軟件建立了某鋼管混凝土拱橋拱軸線不同偏差的力學計算模型,分析了拱肋軸線在不同偏差時焊縫截面的內(nèi)力和應力的變化規(guī)律,提出了對焊縫截面進行加固的技術措施,并建立了與加固前相對應的計算模型,通過計算及對比分析,提出了該拱橋施工時拱軸線允許偏差的合理范圍,將計算結果與現(xiàn)行技術規(guī)程進行對比,驗證了文中所提的加固方案是可行的。

鋼管混凝土拱橋;拱肋拼裝;偏差;力學分析;加固

1 工程項目概況

1.1 項目概況

某主橋為一跨中承式鋼管混凝土的拱橋,其計算跨徑為125 m,矢高為31.25 m,矢跨比均為1/4,拱軸線為懸鏈線,拱軸系數(shù)為1.347。鋼管混凝土拱肋為啞鈴形斷面,中拱肋高2.7 m,拱肋上下弦鋼管直徑為95 cm,均采用20mm厚鋼板卷制(見圖1)。內(nèi)橫梁采用高1.30 m的T型梁,主橋行車道板為預應力鋼筋混凝土空心板梁。

1.2 工程問題

在施工過程中,由于受當?shù)厥┕l件限制主拱鋼管段節(jié)由原設計的30 m段節(jié)和23 m段節(jié)變更為6 m和5 m段節(jié),單側單管由原設計的5段4個接頭,增加到24段23個接頭,全橋接頭由原設計的16個增加到96個。在主拱管節(jié)拼裝過程中,拱軸線在每個焊縫處橫向、縱向都不可避免的存在偏差,主拱鋼管段節(jié)變更造成接頭數(shù)量大增使拼裝過程中累計偏差量較大,拱肋軸線偏離設計合理拱軸線,影響全橋的受力體系和整體穩(wěn)定,橋梁存在安全問題。因此,本文就該橋在拼裝過程中拱軸線偏差引起的受力性能變化規(guī)律建立有限元模型進行分析。

2 有限元模型

2.1 基本參數(shù)

為了研究驗證拱肋拼裝方案變化對拱橋整體受力影響,參照設計文件,應用有限元軟件建立合理拱軸線為懸鏈線的拱橋計算模型,單個拱肋分為24段,截面形式均為啞鈴型拱截面,其中拱腳處兩段截面形式為組合截面Ⅰ(見圖1(a)),其余為組合截面Ⅱ(見圖1(b)),為了簡化計算模型,建模時對啞鈴型拱截面采用了“截面特性計算器”定義了組合截面計算換算截面的特性[1-3],即把鋼管混凝土截面轉換成一種材料的截面,然后當作單一截面計算截面特性。組合截面Ⅰ彈性模量取4.5620×104MPa,泊松比取0.22,重度取29.1 kN/m3;組合截面Ⅱ彈性模量取4.5620×104MPa,泊松比取0.22,重度取29.2 kN/m3。

圖1 啞鈴型拱截面

2.2 計算荷載

按照《城市橋梁設計荷載標準》(CJJ77-98)進行荷載計算和組合[4],在計算恒載時,考慮了結構重力和預加應力,在計算可變荷載時主要考慮了汽車荷載、人群荷載、風荷載,同時還考慮了偶然荷載地震力。在組合時,考慮了如下5種組合:

組合Ⅰ:結構重力+預加應力+汽車荷載+人群荷載;

組合Ⅱ:(汽車荷載+人群荷載+結構重力+預加應力)+風荷載;

組合Ⅲ:(汽車荷載+人群荷載+結構重力+預加應力)+船只或漂流物撞擊荷載;

組合Ⅳ:施工階段的結構重力+材料機具+人群荷載+風荷載+拱橋單向推力;

組合Ⅴ:結構重力+預加應力+地震力。

2.3 合理拱軸線有限元模型

采用有限元方法對該橋進行離散[5],考慮主要方面對模型進行簡化,主拱肋、橫撐、橫梁等等效為梁單元,吊桿采用索單元模擬,橋面板采用板單元模擬。通過把各單元類型組合起來,形成統(tǒng)一的全橋分析模型,然后再施加所有要求的設計荷載,分不同工況,進行全橋范圍內(nèi)的大規(guī)模計算與分析,最后得出較為詳盡、精確的結構。計算模型節(jié)點總數(shù)為198個,梁單元為185個,索單元為 36個,板單元 23個。該橋整體計算模型如圖2所示。

圖2 合理拱軸線鋼管混凝土拱橋有限元模型

2.4 軸線偏差模型建立

根據(jù)當?shù)睾附庸に囁角闆r,選取了拱肋合理拱軸線(偏差 0 cm)、軸線偏差 2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、10 cm、12 cm、15 cm 和20 cm等9種拱軸線,分別建模,在建模過程中,各種構件所采用的單元與上述合理拱軸線的單元形式相同。在不同偏差數(shù)值下,除拱腳兩個截面之外的25個焊縫截面,其偏軸方向采用隨機函數(shù)確定,偏軸值通過修改拱肋各分段梁單元的節(jié)點坐標來實現(xiàn)偏軸數(shù)值。

3 受力分析

3.1 焊縫截面內(nèi)力與應力分析

通過計算建模分析發(fā)現(xiàn)在荷載組合Ⅱ下拱肋軸線偏差20 cm時,軸力、彎矩、應力出現(xiàn)最大值,并且均在拱肋的拱腳處,其彎矩、應力云圖見圖3。

圖3 荷載組合下應力云圖

上述9種軸線偏差模型在荷載組合Ⅱ下焊縫截面的軸力、彎矩、應力出現(xiàn)最大值,其變化情況見圖4。

圖4 不同偏軸值下焊縫截面軸力、彎矩和應力值

由圖4可以看出,拱肋軸線不同偏差下焊縫截面軸力有微小波動,但是總體趨于平穩(wěn),在不同偏軸值下對軸力影響不大;彎矩值在偏軸10 cm以內(nèi)有上下波動,超過10 cm就會出現(xiàn)大幅的增加,由于焊縫截面內(nèi)力的影響,隨著偏軸值的增大,截面應力的變化和彎矩變化類似?？梢钥闯?偏軸值在10 cm以內(nèi)焊縫截面的內(nèi)力與應力變化不明顯,對橋梁的受力體系影響較小。

3.2 焊縫截面加固后內(nèi)力與應力分析

根據(jù)軸線偏差對內(nèi)力與應力的影響程度,選取拱肋軸線偏差10 cm、12 cm、15 cm和20 cm等4種模型,參考類似橋梁的加固方案[6],在焊縫處焊接與拱肋同樣厚度的鋼板,鋼板中心與焊縫中心對齊,寬度35 cm。建立拱橋焊縫加固模型(如圖5所示)。

圖5 拱肋軸線偏差20 cm焊縫加固后焊縫節(jié)點詳圖

對加固后拱肋軸線偏差10 cm、12 cm、15 cm和20 cm四種模型的彎矩和截面應力最大值進行分析,和加固前四種偏軸最大值進行對比,結果見圖6。

圖6 不同軸線偏差焊縫截面加固前后彎矩和應力值

由圖6可以看出,加固后焊縫截面的彎矩和應力值有所降低,其中在拱肋軸線偏差10 cm～20 cm時,加固焊縫使截面的彎矩值降低10%左右,截面應力降低7%～9%。分析不同軸線偏差下加固前焊縫截面和加固后焊縫截面彎矩和應力值變化情況可以看出:該拱橋在施工時拱軸線偏差應控制在10 cm以內(nèi)。

根據(jù)《鋼管混凝土拱橋技術規(guī)程》[7](征求意見稿),在拱軸偏軸20 cm時,對最不利截面的應力進行了分析,并對加固前后的設計強度進行了計算,確定了加固前后的安全性。結果如下:

鋼管混凝土組合受壓強度設計值fsc應按下式計算,結果見表1。

式中:As為鋼管的截面面積;Ac為核心混凝土的截面面積;ξ0為鋼管混凝土的約束效應系數(shù)設計值,見式(2);fs為鋼材的抗壓強度設計值;fcd為混凝土的軸心抗壓強度設計值。

表1 加固前后受壓強度設計值fsc

通過表1計算結果可以看出,拱肋中間截面加固后比加固前設計強度提高了11%,而拱腳截面加固后比加固前設計強度提高了12%。與有限元計算模型計算加固拱腳截面應力降幅基本一致。

4 結 論

通過建立各種模型和應用技術規(guī)程分析拱橋在軸線不同偏差情況下的受力得出以下結論:

(1)在軸線偏差不超過20 cm時,鋼管混凝土拱橋軸線偏差對軸力影響較小,但是對焊縫截面的彎矩和截面應力影響較大,特別是偏軸超過10 cm后,彎矩和截面應力值增幅比較快。

(2)在焊縫處焊接鋼板對焊縫的彎矩和截面應力值降低有一定作用,在焊縫偏軸10 cm～20 cm時,截面的彎矩值降低10%左右,截面應力降低7%～9%。

(3)通過加固前后計算結果的對比分析可以看出:該拱橋在施工時拱軸線偏差應控制在10 cm以內(nèi)。

(4)根據(jù)技術規(guī)程推薦公式驗算拱腳截面加固后的設計強度,與加固前設計強度對比有所提高,能夠滿足橋梁使用要求。

[1]邱順冬.橋梁工程軟件常見問題解答[M].北京:人民交通出版社,2009:43-45.

[2]楊 臻,史天驕,費慶國.鋼管混凝土系桿拱橋空間建模技術及其動力特性分析[J].水利與建筑工程學報,2009,7(1):42-44.

[3]趙前進.單拱肋鋼筋混凝土拱橋施工仿真與穩(wěn)定性分析[D].武漢:武漢理工大學,2010:32-33.

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[6]楊 忠,楊轉運,楊 波.某長江大橋鋼管拱橋拱肋的制作安裝技術[J].交通科技與經(jīng)濟,2006,38(6):37-39.

[7]福建省住房與城鄉(xiāng)建設廳.DBJ.鋼管混凝土拱橋技術規(guī)程(征求意見稿)[S].福建:福建省工程建設地方標準,2010.

Mechanical Analysis for Rib Assembly Process of a Certain Concrete-filled Steel Tube Arch Bridge

WANG Zhan-feng,WENG Guang-yuan,ZHANG Song-lei
(Department of Highway Engineering,Shaanxi Vocational and Technical College of Communications,Xi'an,Shaanxi710018,China)

In order to study the variation of mechanical properties caused by the arch axis deviation during the rib assembly of concrete-filled steel tube arch bridge,the mechanical calculation model is established by using a large general finite element software,and the variation of the internal force and stress in the weld section is analyzed while the arch rib axis is at the different deviation.Based on this,the reinforcement measures for the weld section are proposed,and the corresponding calculation model is established.Through the calculation and comparative analysis,the reasonable deviation of the arch axis during construction is put forward,and then the calculation results are compared with the current technical regulations,verifying that the reinforcement scheme proposed here is feasible.

concrete-filled steel tube arch bridge;rib assembly;deviation;mechanical analysis;reinforcement

U448.22+2

A

1672—1144(2012)05—0033—04

2012-03-08

2012-04-20

國家自然科學基金重大研究計劃培育資助項目(90715003);陜西省自然科學基礎研究資助基金面上項目(2011JC4069);陜西省高等繼續(xù)教育教學改革研究項目(11J35);陜西省教育廳重點實驗室訪問學者資助項目(2010JS023)

王占鋒(1982—),男(漢族),陜西楊凌人,碩士,講師,主要從事工程結構教學和科研工作。