连续梁拱桥拱梁结合面空间静力行为研究

李新舜

（四川藏区高速公路有限责任公司， 四川 成都 610041）

1 工程概况

某连续梁拱体系组合桥主桥是由预应力混凝土连续梁与钢管混凝土拱的组合结构，跨径布置为64.95+136+64.95=265.9m，如图1 所示。主梁和拱座均为混凝土结构，主梁采用单箱双室变高度箱形截面，拱肋采用钢管混凝土结构。梁拱组合桥结构受力性能独特，而许多工程结构的破坏失效大多都是从局部开始，截至目前已有较多连续梁拱组合桥拱座附近出现了裂缝病害，拱梁结合面局部受力情况备受关注。为在施工阶段提供理论建议并保证桥梁结构体系安全营运，因此对拱梁结合面进行受力分析。

图1 桥梁立面布置图

2 模型建立与参数设置

2.1 模型建立

本文主要研究拱梁结合面的受力情况，暂未考虑普通钢筋以及横桥向、顺桥向预应力筋效应影响，仅考虑竖向预应力作用效应，同时将钢管混凝土拱肋简化为实体钢拱肋，根据设计资料利用Ansys 建立三维有限元实体模型，网格单元划分如图2 所示。

图2 拱梁结合部有限元模型

2.2 参数设置

2.2.1 材料参数

主梁和拱座均采用C55 混凝土，拱圈采用Q345qD 钢，预应力筋采用PSB930Φ32 高强精扎螺纹钢筋。材料特性参数见表1。其中，C55 砼中1为轴心抗压强度设计值，2为轴心抗拉强度设计值；Q345 钢中1为板厚16mm＜≤35mm 强度设计值，2为35mm＜≤50mm 强度设计值；Φ32 螺纹钢中1为抗压强度设计值，2为抗拉强度设计值。

表1 桥梁结构材料特性表

2.2.2 荷载参数

根据设计资料可知，拱截面为哑铃型，且轴力荷载仅由哑铃上下两端圆形拱截面承受，拱座与梁体0 号段配预应力筋，轴力荷载与竖向预应力荷载值见表2。

表2 拱圈轴力与主梁预应力荷载表

2.2.3 边界条件

由于梁体自身刚度较大，成桥状态相邻截面刚接且不发生旋转和剪切变形，故将主梁两端截面采用固结方式进行模拟。

3 数值模拟分析

3.1 对称性分析

已知三维有限元模型是对称结构，为研究结构在实际施工和营运过程中是否受扭以及有其他力学特征，因此对结构进行对称性分析。在两拱座对应位置选定两条路径，此处以拱座外侧纵向路径为研究点，图3、图4为路径示意图（下文适用），对称性分析结果如图5、图6 所示。

图3 左拱座纵向、横向路径1

图4 左拱座纵向、横向路径2

图5 左右拱座X 轴位移

图6 左右拱座Y 轴位移

图5、6 表明左右两拱在X 轴（横向）、Y 轴（竖向）位移值完全相等，少量点位误差不超过1%，由此可知结构在X、Y 方向满足对称性要求。Z 轴与Y 轴相似，两拱座位移完全同步，此处不再作图。根据变形协调原理可知拱梁结合部位应力状态也满足对称性要求，总体稳定可靠。

3.2 结合面应力分析

为进一步了解结合面内部应力分布状态，以X 轴为法向轴进行切片分析，结合面范围内的X 取值在4.8m～6.3m 之间，由于篇幅原因，此处仅展示X=5.55 剖面的第一主应力分布图，见图7～图8，第三主应力分布图见图9、图10 所示。

图7 拱梁结合段第一主应力分布图

图8 X=5.55m 剖面第一主应力分布图

图9 拱梁结合段第三主应力分布图

图10 X=5.55m 剖面第三主应力分布图

根据第一强度理论，结合以上应力图分析可知，拱梁结合面的最大拉应力（第一主应力）不超过1.29MPa，最大压应力低于1.88MPa，均满足混凝土的极限抗拉、抗压强度，可初步判断拱梁结合面在施工以及营运期间不会出现荷载导致的开裂。

3.3 结合面应力极值分布

图11 纵向路径1 应力云图

图12 纵向路径2 应力云图

图13 拱座纵向路径1、2 应力图

图14 拱座横向路径1、2 应力图

根据对拱梁结合面设置若干纵向路径和横向路径进行对比分析，得知拱座内侧边缘（纵向路径1）应力最大，拱座外侧边缘（纵向路径2）应力最小，且两条路径应力从近拱端到远拱端整体呈减小趋势分布，横向路径从内侧到外侧也是逐渐减小。

3.4 钢拱von mises 应力分析

图15 钢拱等效应力分布图

图16 X=5.55m 剖面等效应力分布图

根据第四强度理论（形状改变能密度理论）可知，钢材属于塑性材料。通过von mises stress（等效应力）来研究钢拱内部的复杂应力状态，根据计算结果可知，钢拱所受应力均小于其本身许用应力值，不会发生屈服失稳。

4 结束语

（1）根据既有资料对64.95+136+64.95=265.9m 连续梁拱桥营运状态下拱梁结合段受力状况进行数值模拟分析，单个拱座承受荷载取2700吨，经计算可知拱梁结合面最大拉应力不超过1.29MPa，最大压应力小于1.88MPa，均满足混凝土的极限抗拉、抗压强度。

（2）拱座内侧（车道侧）应力大于外侧（人行道侧）应力，从近拱端（靠跨中一侧）到远拱端（靠桥头一侧）整体呈先快速增大再逐渐减小的分布趋势；近拱端内侧到外侧应力逐渐减小，远拱端内侧到外侧应力总体较小，呈先缓慢减小再增大的分布趋势，此现象符合应力扩散规律。

（3）本文模型中钢管混凝土拱用各向同性材料替代，后期可针对钢管混凝土拱浇筑以及拱肋稳定性作进一步验证分析。