钢拱钢混结合段受力情况研究分析

钢拱钢混结合段受力情况研究分析

梁磊

林同棪国际工程咨询（中国）有限公司  广东广州 510000

摘要：系杆拱桥钢拱混节段构造复杂，受力情况分析困难，以某系杆拱桥主拱钢混结合段为研究对象，采用空间有限元方法，先建立全桥空间杆系模型进行整体分析，确定主拱钢混结合段内力情况，然后利用大型通用有限元软件建立钢混结合段的空间实体模型进行分析，明确结合段具体受力情况。分析结果表明：该拱桥主拱钢混结合段构造方式合理，结合段内力传递平顺，应力安全储备良好。

关键词：系杆拱桥；钢拱；钢混结合段；受力情况

1 引言

近年来，我国交通基础设施建设大量发展，在钢结构研究得到进一步发展的推动下，采用钢混结构的桥梁得到快速发展，同时钢混结合钢拱逐渐应用于系杆拱桥中。系杆拱桥主拱采用钢混结合结构具有诸多优势，但由于钢混结合段受力复杂且不明确，因此必须采用空间实体分析方法来研究其受力情况。

2 项目概况

某系杆拱桥主桥布置为51m+112m+51m梁拱组合系杆拱桥，主梁采用钢箱梁形式，桥面宽度24m。主拱采用钢箱梁形式，主拱矢高41.756m，桥面高度4m处主拱设置钢混结合段。

图1 桥型布置图  图2 主梁横断面图

钢混节段节段长2.65m，钢混节段塔壁和内腹板厚度为40mm，塔壁加劲肋设置环向PBL钢筋。钢混结合段承压板板厚60mm，锚垫板板厚40mm，锚固10根预应力钢筋。

图3钢混结合段立面图图4钢混结合段断面图

3 有限元模型

采用Midas建立全桥杆系模型，获取拱桥钢混节段内力，提取钢混节段内力施加到钢混节段局部实体模型里，分析钢混节段具体受力情况。

3.1 整体模型

Midas整体模型，主梁、主拱和基础采用梁单元模拟，吊杆采用桁架单元模拟，荷载作用考虑恒载、运营活载、温度作用、基础沉降和风载等作用。

图5 整体计算模型图6 实体局部计算模型

通过整体计算分析取钢混节段局部计算不利工况内力值，主拱不利工况内力值如下表:

表1 不利计算工况内力值

3.2 实体模型

实体模型，混凝土采用Solid45实体单元模拟，钢板采用Shell181壳单元模拟，预应力钢筋采用link8杆单元模拟。模型底部将所有节点自由度全部约束，顶部建立刚域施加整体模型提取内力值。

4 计算结果分析

4.1 塔壁和加劲肋应力

主拱壁板Mises应力分布在19.3MPa～113.2MPa，加劲肋应力分布在15.2MPa～86.4MPa，钢拱部分应力水平明显大于混凝土结合段部分应力，结合段由于混凝土作用，引起壁板和加劲肋部分应力减小。

图7 主拱壁板Mises应力（MPa）    图8 壁板加劲肋Mises应力（MPa）

4.2 承压板及混凝土应力

承压板Mises应力分布在16.6MPa～48.2MPa，承压板中间部分应力均匀且应力值较小，为便于结合段混凝土浇筑振捣，可在承压板中间挖空部分应力较低区域。

混凝土主压应力分布在-3MPa～-14.6MPa，主压应力较大值主要出现在钢混结合段顶面四周，主要由于周边钢拱和加劲肋将内力传递给混凝土。

图9 承压板Mises应力图（MPa）   图10 主拱砼部分主压应力图（MPa）

4.3PBL剪力键内力

PBL剪力键内力值和示意图见表2和图11，从剪力键内力分布情况得出，PBL剪力键内力变化规律为上下排剪力键内力大（如K1～K4，K11～K12），中间剪力键小，最下面排剪力键内力最大。

图11剪力键示意图

表2 剪力键内力值汇总表（单位：kN）

5 结论

（1）通过钢混结合段空间实体模型分析结果，钢混结合段内力传递平顺，应力安全储备良好，结构构造合理。

（2）由钢拱壁板、加劲肋应力情况可知，结构整体应力水平低于钢材容许应力，结构安全储备高。

（3）承压板可挖空中间部分应力较低区域，便于结合段混凝土浇筑振捣。

（4）PBL剪力键内力变化规律为上下排剪力键内力大，中间剪力键小，最下面排剪力键内力最大。

参考文献：

[1] 宰国军,周志祥,徐中海.混合式拱桥结合段的设计研究[J].公路,2008(6):45-49.

[2] 上海市城市建设设计研究总院.钢-混凝土组合桥梁设计规范:GB 50917-2013[S].北京:中国计划出版社,2015.

[3] 张树清,尹超.桥塔钢-混结合段分析[J].城市道桥与防洪,2015,(11):85-87,16.

[4] 郑尚敏,程海根,冯龙,等.大跨度系杆拱桥主拱钢－混凝土结合段受力状态分析[J].铁道建筑,2020,60(3):9-12.