金 森，王 炎，胡曉東，曹成杰，魯 超

(1.浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310000；2.中鐵四局集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230041；3.浙江存真土木工程技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310000；4.杭州地方鐵路開(kāi)發(fā)有限公司，浙江 杭州 310000)

連續(xù)梁-鋼管混凝土拱組合橋承載能力高、施工便捷、對(duì)地基適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在高速鐵路建設(shè)中應(yīng)用廣泛[1- 3]。對(duì)于鋼管混凝土連續(xù)梁拱組合橋而言，拱腳位于拱肋、主梁、墩柱、橫梁等構(gòu)件集中交匯處，是受力的關(guān)鍵部位，不僅要承受拱肋傳遞的彎矩和軸力，還要承受主梁及端橫梁傳遞的縱向、橫向預(yù)應(yīng)力和彎矩，受力及結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜[4- 5]，在該處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致拱腳部位裂縫的產(chǎn)生。

目前，對(duì)連續(xù)梁-拱組合橋拱腳開(kāi)裂機(jī)理及應(yīng)力分布規(guī)律已經(jīng)有了一些探討和研究。尚軍亮、鄧風(fēng)亭、李明[6- 8]等人對(duì)鋼管混凝土拱橋拱腳裂縫原因進(jìn)行了分析，認(rèn)為施工階段泵送混凝土壓力擠壓鋼管變形以及拱腳外包混凝土拉應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致拱腳開(kāi)裂。劉國(guó)光、李金凱、崔鳳坤[9- 11]等人對(duì)拱腳應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了研究，認(rèn)為拱腳局部存在應(yīng)力集中情況，主要位于鋼管混凝土拱肋與拱座連接處，該處局部應(yīng)力過(guò)大引起拱腳混凝土開(kāi)裂。綜上所述，目前對(duì)于拱腳開(kāi)裂機(jī)理及應(yīng)力分布規(guī)律已經(jīng)有了一定成果，但是多數(shù)是基于成橋狀態(tài)或某一施工節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，而針對(duì)整個(gè)施工過(guò)程的應(yīng)力研究較少。因此本文從有限元模擬和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的角度針對(duì)拱腳在施工過(guò)程中的應(yīng)力分布及變化規(guī)律進(jìn)行分析探討，為類(lèi)似工程建設(shè)提供參考。

1 工程概況

本文以一座(76+160+76)m連續(xù)梁-鋼管混凝土拱組合橋?yàn)檠芯繉?duì)象，連續(xù)梁為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，全長(zhǎng)312m。主梁采用單箱雙室變高度箱形截面，跨中及邊支點(diǎn)處梁高4.5m，中支點(diǎn)處梁高9.0m，梁高按圓曲線變化。拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，計(jì)算跨度L=160.0m，設(shè)計(jì)矢高f=32.0m，矢跨比f(wàn)/L=1∶5，主拱采用等高啞鈴型截面，截面高度為3000mm，由上、下2個(gè)單圓鋼管和綴板焊接而成。上、下單圓鋼管直徑為1000mm，壁厚為16mm。二榀拱肋之間共設(shè)9道橫撐，橫撐均采用空間桁架撐，各橫撐由4根Φ450mm×12mm主鋼管和32根Φ250mm×10mm連接鋼管組成。全橋共設(shè)15組雙吊桿，每組吊桿順橋向間距9m。主橋橋型布置圖如圖1所示。

主橋的施工方法為“先梁后拱”[12]，主要的施工步驟為：①利用掛籃懸臂澆筑主梁；②合攏吊架配合進(jìn)行邊跨和中跨合攏；③搭設(shè)橋面支架，利用支架進(jìn)行拱肋的分段拼裝；④拆除橋面支架，依次進(jìn)行拱肋上下弦管及綴板內(nèi)混凝土的灌注；⑤吊桿進(jìn)行初張拉；⑥橋面二期恒載的鋪設(shè)；⑦吊桿二次調(diào)索至設(shè)計(jì)索力。

2 拱腳應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

選定左右側(cè)拱座背面1-a～1-b和1-a’～1-b’、上下弦管與拱座交界處2-a～2-d和2-a’～2-d’、上下弦管端部3-a～3-d和3-a’～3-d’共20個(gè)位置為應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，左右側(cè)拱座的應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)稱(chēng)布置，如圖2所示，通過(guò)埋入式智能弦式應(yīng)變計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)施工過(guò)程中的拱腳局部應(yīng)力，并根據(jù)拱腳混凝土的傳力特點(diǎn)，將弦式應(yīng)變計(jì)沿主筋方向布置，如圖3所示。

3 有限元分析模型

在連續(xù)梁-鋼管混凝土拱組合橋中，拱腳位于結(jié)構(gòu)交匯處，受力及構(gòu)造十分復(fù)雜。在全橋模型中，拱腳結(jié)點(diǎn)用桿系單元進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，從而忽略了拱腳的具體構(gòu)造。顯然，簡(jiǎn)化處理下的結(jié)點(diǎn)受力不能充分反映拱腳的具體受力情況，需要采用更精確的局部模擬分析，才能準(zhǔn)確地求解拱腳處的應(yīng)力分布規(guī)律[13- 14]。因此，建立多尺度有限元模型進(jìn)行拱腳受力特性分析具有必要性，本文先通過(guò)建立全橋模型，并提取出各施工階段的局部等效邊界荷載，再將該荷載施加到局部有限元模型中進(jìn)行拱腳受力特性分析。

3.1 全橋有限元模型建立

全橋模型采用有限元分析軟件Midas/Civil建立，如圖4所示。在模型中主梁、拱肋及橫撐采用梁?jiǎn)卧M，吊桿采用只受拉桁架單元模擬，拱肋截面采用施工階段聯(lián)合截面建立，結(jié)構(gòu)考慮縱向預(yù)應(yīng)力荷載及收縮徐變，根據(jù)實(shí)際施工工況進(jìn)行施工階段模擬[15]。模型中x軸為順橋向，y軸為橫橋向，z軸為豎橋向。

通過(guò)有限元模擬計(jì)算，得到各個(gè)施工工況的等效邊界荷載，見(jiàn)表1。其中，軸力N以受拉為正；剪力Q以順指針?lè)较蛐D(zhuǎn)為正；彎矩M以下側(cè)受拉為正。

表1 截?cái)嗵幍刃н吔绾奢d結(jié)果

3.2 拱腳實(shí)體模型建立

拱腳實(shí)體模型采用ANSYS建立，如圖5所示[16]。在建立模型時(shí)假定拱肋鋼管與填充混凝土協(xié)調(diào)變形，不考慮材料非線性，以及拱肋與拱腳混凝土的相對(duì)滑移。實(shí)體模型采用SOLID45單元模擬，拱肋、拱座及主梁采用共節(jié)點(diǎn)方式進(jìn)行耦合?；炷良肮袄咪摴懿馁|(zhì)分別采用C55混凝土和Q325D鋼材，材料參數(shù)通過(guò)TB 10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》選取[17]。模型的邊界內(nèi)力加載通過(guò)剛性面法來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖6所示[18]。即通過(guò)在截?cái)嗝鎺缀沃行奶幗ass21質(zhì)量點(diǎn)單元并施加截?cái)嗝孢吔绾奢d，見(jiàn)表1，然后采用rbe3剛性連接單元將質(zhì)量點(diǎn)單元與截?cái)嗝娴墓?jié)點(diǎn)連接，從而實(shí)現(xiàn)荷載的分配。模型中z軸為順橋向，x軸為橫橋向，y軸為豎橋向。在建立拱腳局部模型時(shí)，根據(jù)實(shí)際的支座位置在實(shí)體模型底部進(jìn)行約束，其中，中支座約束z和x方向，邊支座約束z向，主梁端部截面約束平面外的平動(dòng)和平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

4 有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值比較

4.1 拱腳局部模型計(jì)算結(jié)果

拱座及拱肋材料為C55混凝土，屬于實(shí)體脆性結(jié)構(gòu)，根據(jù)第一、第二強(qiáng)度理論，采用第一主應(yīng)力進(jìn)行最不利拉應(yīng)力分析，采用第三主應(yīng)力進(jìn)行最不利壓應(yīng)力分析。根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)施工過(guò)程中的理論結(jié)果如圖7所示，得到拱座的應(yīng)力分布情況為拱肋與拱座交界處為最不利位置，拱座背面次之，上下弦管端部的應(yīng)力值最小。其中最大的拉壓應(yīng)力均出現(xiàn)拱肋與拱座交界處，變化規(guī)律如圖8所示。

經(jīng)分析，拱座混凝土在施工過(guò)程中基本處于受壓狀態(tài)，在工況Ⅲ及后續(xù)工況時(shí)，拱座混凝土壓應(yīng)力顯著增大，在工況Ⅴ時(shí)壓應(yīng)力達(dá)到最大值-12.671MPa，如圖9(a)所示；拱座混凝土最大拉應(yīng)力變化情況為：在工況Ⅰ時(shí)，最大拉應(yīng)力為拱肋上弦管交匯點(diǎn)，最大拉應(yīng)力為0.559MPa，如圖9(b)所示。隨著吊桿張拉、橋面鋪設(shè)等工況的進(jìn)行，拱肋豎向荷載增大，最大拉應(yīng)力由上弦管交匯點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)橄孪夜芙粎R點(diǎn)，在工況Ⅳ時(shí)，下弦管交匯點(diǎn)最大拉應(yīng)力為1.758MPa，如圖9(c)所示。二次調(diào)索工況時(shí)，為達(dá)到設(shè)計(jì)索力，而對(duì)吊桿內(nèi)力進(jìn)行了釋放，導(dǎo)致拱肋豎向荷載較少，引起下弦管拉應(yīng)力降低，如圖9(d)所示，由此可以得到下弦管受拉程度與拱肋豎向荷載大小呈正相關(guān)。

4.2 實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比分析

將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)值列于表2，分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，拱座整體受壓，最大拉應(yīng)力為2-d測(cè)點(diǎn)，最大壓應(yīng)力為2-a測(cè)點(diǎn)；由第二組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)圖10(b)可知，在工況Ⅰ時(shí)2-a受拉、2-d受壓，隨著施工工況的進(jìn)行，逐漸轉(zhuǎn)變成2-a受壓、2-d受拉；通過(guò)分析第一組圖10(a)和第三組圖10(b)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，第三組實(shí)測(cè)位置即上下弦管端部為應(yīng)力最小位置；在工況Ⅲ時(shí)，拱座整體拉壓應(yīng)力發(fā)生較大變化。應(yīng)力變化規(guī)律與有限元模擬結(jié)果一致，驗(yàn)證了有限元模擬結(jié)果的可靠性。

表2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)值 單位：MPa

5 結(jié)語(yǔ)

以某大跨度連續(xù)梁-鋼管混凝土拱組合橋?yàn)檠芯繉?duì)象，通過(guò)Midas/civil和Ansys聯(lián)合仿真，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)拱腳在各施工階段的受力特性進(jìn)行分析，結(jié)果表明：

(1)在施工期間，拱腳基本處于受壓狀態(tài)，整體受力合理。

(2)在施工過(guò)程中，拱座最不利受力位置為拱肋與拱座交匯處，建議在此處加強(qiáng)構(gòu)造措施和優(yōu)化配筋，確保結(jié)構(gòu)受力的合理性。

(3)拱肋下弦管拉應(yīng)力與拱肋豎向荷載大小呈正相關(guān)，為防止拱座在施工時(shí)由于下弦管拉應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致開(kāi)裂，在鋪設(shè)橋面系和張拉吊桿時(shí)，應(yīng)注意控制橋面系荷載值和吊桿張拉力的大小。

(4)實(shí)測(cè)值與有限元模擬結(jié)果相接近，表明有限元模擬方法可靠，可用于驗(yàn)算設(shè)計(jì)。