系杆拱桥钢管混凝土拱局部分析.pdf

2 0 1 0年第3 期 广 东 公 路 交 通 G u a n g D o n g G o n g L u J i a o T o n g 总第 1 1 2期 文章编号 ： 1 6 7 1 7 6 1 9 ( 2 0 1 0 ) 0 3 0 0 4 6 0 4 系杆拱桥钢管混凝土拱局部分析 王 冲 ，徐 扬 ，孙海涛 ( 1 上海市政工程设计研究总院， 上海2 0 0 0 9 2 ； 2 西南交通大学土木工程学院， 成都6 1 0 0 3 1 ) 摘要： 采用 A N S Y S I I 0和 M I D A S C I V I L V 7 4 I ， 建立了一个整体模型和三个局部模型， 对一下承式单索面钢箱 叠合梁钢管砼系杆拱桥的钢管混凝土拱进行了局部分析。对比研究了主拱斜撑的两种截面型式对其内力的影 响， 重点关心在最不利荷载工况下主拱钢管和斜撑钢管的应力大小。计算结果表明： 钢管混凝土拱设计合理可 靠， 为相似结构的设计与施工提供参考。 关键词 ： 系杆拱桥；钢管混凝土拱；斜撑 中图分类号： U 4 4 8 2 2 5 文献标识码： B O 概述 某大桥主桥为下承式单索面钢箱叠合梁钢管 砼系杆拱桥， 跨 径布置为 1 3 8 m+1 3 8 m = 2 7 6 m， 桥 宽 2 9 5 m。主跨拱肋是通过横撑 、 斜撑和三根钢管 组成的组合式拱圈， 钢管内填充 C 5 0微膨胀混凝 土 ， 三根钢管均为二次抛 物线 线形 ， 主拱直径1 8 m， 位于竖直平面内， 矢跨比为 1 4 4 4 ； 两根副拱直 径 1 4 m， 其拱轴线平面与竖直平 面的夹角为 5 2 9 6 。 ， 副拱平面内矢跨比为 1 4。跨中处中心线 横桥向水平距离 7 5 m， 竖向距离 6 O m。横撑及斜 撑初步设计时采用空心 圆钢管截 面型式， 施工设 图 1 系杆拱 桥效 果图 1 模型 I 概况 模型 I 采用有限元软件 A N S Y S 1 1 0， 主要模 拟钢管混凝土拱在最不利荷载组合 ( 恒载 +汽车 + 温度 + 风载( 有车) +制动力) 下局部应力的大 小和分布情况。拱桥为对称结构， 因此选择了半 跨拱桥进行建模分析， 其中又选择 了五个节段 ( 图3中、 、 、 、 节段) 采用实体单元 ( S o l i d 4 5 ) 和板单元( S h e l M3 ) 进行模拟 ， 实体单元 4 6 计时最终分别 采用方型和工字型钢管截面型式， 截面尺 寸 分 别 为 6 0 0 mm 6 0 0 m m 和 3 0 0 m m 6 0 0 m m， 壁厚均为 2 0 mm。主梁采用整体箱型叠合 梁， 梁高 3 5 m， 梁宽 2 9 5 m。吊杆采用单索面布 置， 低应力防腐索体， 吊杆材料为高强平行钢丝 索 。系杆采用高强平行钢丝拉索。主桥 中墩处设 置纵向固定支 座 ， 边墩处设 置纵 向滑动支座。主 桥中墩及边墩基础 采用直 径 2 8 0 e m2 3 0 e m 的钻 孔灌注桩。全桥效果如图 l 所示， 梁单元模型如 图 2所示 ， 建立 梁单 元模 型的主要 目的是为局部 模型提供外部荷载 。 图 2 系杆拱 桥 MI D A S梁单元模型 用来模拟主拱和副拱钢管中的混凝土， 板单元用 来模拟主拱和副拱钢管以及斜撑和横撑。建模 时关键问题是要保证钢管板单元和与钢管壁接 触的混凝土实体单元共用节点， 以此来模拟钢管 混凝土共同工作。考虑到模型边界条件施加的 方便 和 准 确， 其 余 部 分 均 采 用 空 间 梁 单元 ( B e a m 1 8 8 ) 进行模拟 ， B e a m 1 8 8可以模拟混凝土 和钢管两种材料。梁单元和实体及板单元采用 主从节点连接 ， 其 中梁单元 节点 为主节点 ， 实体 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0 年第3 期 王冲， 徐扬， 孙海涛系杆拱桥钢管混凝土拱局部分析 总第 1 1 2 期 和板单元为从 节点。模 型 I 共用 节点 4 7 7 5 3个 ， 共用单元 1 9 3 4 8 1个 。 模型 I 材料特性如下： 混凝土弹性模量为3 4 5 1 0加 P a ，泊松 比为 0 2 ， 密度为 2 5 5 k N m ； 钢弹 2 圭 t l h 瑚 ” 。 。 ” 疆一 、l T ! 图 3 1 2主拱肋立面 图( 单位 ： n l l n ) 1 1 模型 I 边界条件和外部荷载 模型 I 在拱脚处约束梁单元端部节点的全部 六个 自由度 ， 在跨 中处放 松梁单元端部节点 的竖 向平动自由度， 约束其余五个 自由度。外部荷载 为每个吊杆位置处施加 3 6 0 0 k N大小的集中力 ， 集 性模量为 2 11 0 n P a ， 泊松比为 0 3 ， 密度为7 8 5 k N m 。模型 I I 和 I I I的材料特 性 同模型 I 。1 2 主拱肋立面图和有 限元模 型 I 加载 图分别如图 3 和图 4所示。 图 4 有 限兀 模型 I 图 中力 的大小是 由 MI D A S梁单元模型在最不利荷载 组合 ： 恒载 +汽车 +温度 +风载( 有车)+制动力 的情况下算 出的 吊杆最 大拉 力 ， 方 向竖直 向下。 计算时考虑了自重的影响。 1 2 模型 I 应力结果 图5 模型 I m i s e s 应力( 单位： P a ) 图6 模型 I 实体段ra i s e s 应力( 单位： P a ) 图7 模型 I 斜撑 m i s e s 应力( 单位： P a ) 图8模型I 横撑 n fi s e s 应力( 单位： P a ) 图9模型I 主拱钢管r r fi s e s 应力( 单位： P a ) 图1 0模型I 副拱钢管 m i s e s 应力( 单位： P a ) 由图 5一图 1 O可知 ， 在最不利组合工况下 ， 模 型 I 斜撑最大 mi s e s 应力为 7 1 5 MP a ， 位置在最短 斜撑与副拱钢管交界处； 横撑最大 m i s e s 应力为 1 7 6 M P a ； 主拱钢管最大 m i s e s 应力为 8 5 2 MP a ， 位 置在最短斜撑与主拱钢管交界处； 副拱钢管最大 mi s e s 应力为 6 4 4 M P a ， 位置在最短斜撑 与副拱钢 管交界处 ； 以上均满足规范要求。 2 模型 I I 概况 由模型 I 的计算结果可知 ， 如 图 3所示 ， 斜撑 的最大 m i s e s 应力位 置均位 于号 节段 ， 因此为 了进一步研究在最不利 情况 ， 即主拱钢管与混凝 土完全脱空的情况下， 主拱钢管和斜撑的最大应 力 ， 建立 了模 型 I I 。模 型 I I 截 取 号 节 段 ( 长 7 m) ， 考虑到斜撑与主拱钢管之间的节点是本桥 4 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 3期 广东公路交通 总第 1 1 2期 传力路径中的关键部位 ， 设计中特增设部分加劲 以保证节点的牢固性， 同时考虑 了纵向加劲肋 ( 厚 1 6 m m) ， 环 向横 隔板 ( 厚 1 6 mm) ， 钢锚箱 ( 侧 壁厚 1 3 ra m、 侧壁 底厚 4 0 ram) 的影 响 ； 而不 考虑 钢管中的混凝土。部分加劲 、 主拱钢管 、 斜 撑、 纵 向加劲肋、 环 向横 隔板 和钢锚 箱 均 采用 S h e l l 6 3 图 1 1 有限元模型I I 部分加劲图 2 1 模型 I I 边界条件和外部荷载 模型 I I 在右上方主拱钢管截面处约束全部节 点的三个平动 自由度 ， 三个转动 自由度全部放松。 在左下方主拱钢管截面处约束全部节点的横向和 竖向平动 自由度 ， 纵 向平动 自由度和三个转动 自 由度全部放松。外部荷载为在左下方主拱钢管截 面处 ： 施加纵向压力 N=i 0 6 9 8 k N； 每个斜撑梁单 单元进行模拟。考虑到外荷载施加的方便和准 确 ， 斜撑的端 部建 立梁单元 ， 梁单 元和板单元 采 用主从节点连接 ， 其 中梁单元节点为主节点， 板 单元为从节点。模型 I I 共用节点 8 2 9 0个， 单元 1 6 4 7 0个 。模型 I I 部分加劲如图 1 1所示 ， 模型 I I 加载图如图 1 2所示 。 图 1 2 有 限兀模型 I I 图 元端点位置处 ： 施加轴 向拉力 N=5 5 3 0 6 k N， 施加 顺桥向剪力 Q 顺=5 4 1 9 k N， 施加横桥向剪力 Q 横= 1 2 3 3 0 k N， 施 加顺 桥 向弯矩 颓=1 7 2 5 0 k N m， 施加横桥向弯矩 M 横= 6 3 5 3 0 k N n l 。外部荷载 的施加用来模 拟 以下最不利工况 ： 恒载 +活载下 最大轴力 + 整体升温 + 桥面板非线性降温 + 横向 运营风， 计算时没有考虑 自重的影响。 图1 3模型1 1 ra i s e s 应力图( 单位 ： P a ) 图1 4模型ra i s e s 应力图局部1 ( 单位： P a ) 图1 5模型T I s e s 应力图局部2 ( 单位： P a ) 2 2 模型I I 应力结果 3 模型 I I I 概况 由图 1 3一图 1 5对 比可知 ， 模型 I I 在斜撑和主 拱交界处、 部分加劲角点处 以及 吊杆钢锚箱侧壁 处等局部区域 ， m i s e s 应力超过 了 3 4 5 MP a ， 最大值 为 7 6 3 MP a ， 位于吊杆 钢锚箱和主拱环向横隔板的 交界处。mi s e 8 应力超过 3 4 5 MP a的范围很小 ， 均 位于部分加劲角点处， 产生原因是应力集中， 因此 这些角点应力异常点可以采取构造措施加以剔 除 ， 布置部分加劲有一定效果 ， 建议尽量沿顺 桥向 布置 。 48 由模型 I I 的计算结果可知， 初步设计时斜撑 采用圆形截面型式， 虽然可以采取部分加劲来控 制其最大 m i s e s 应力 ， 但是最大值仍为 7 6 3 MP a ， 不 符合规范要求， 所以施工设计时将斜撑截面型式 改为工字型， 工字型截面的抗弯惯性矩小于圆形 截面， 因此其分担的内力值也将减小， 在此建立模 型 I I I 加以验证。在模型 I I 的基础上， 把斜撑的截 面形式由圆形变为工字型 ， 斜撑厚度 由2 5 m m减小 为2 0 ra m， 同时工字型斜撑的上下翼缘深入到主拱 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 3期 王冲 ， 徐扬 ， 孙海涛系杆拱桥钢管混凝土拱局部分析 总第 1 1 2期 内部 1 6 c m深 ， 与环 向横 隔板形 成箱型截面 ， 这便 形成模 型 I I I 。模 型 I I I共用 节 点 5 2 1 2个 ， 单 元 1 0 3 2 4个 ， 模型 I I I 加载 图如 图 1 6所示。 3 1 模型 I I I 边界条件和外部荷载 模型 I I I 的边界条件同模型 I I 。外部荷载为在 左下 方 主拱 钢 管 截 面 处 ： 施 加 纵 向 压 力 N = 1 0 4 8 8 k N； 每个斜撑梁单 元端点位置处 ： 施加轴 向 拉力 N= 6 0 9 k N， 施加顺桥向剪力 Q 颇= 6 2 8 k N， 施 加横桥向剪力 Q 横=1 4 5 3 k N， 施加顺桥向弯矩 顺 = 1 6 7 5 k N m， 施加横桥向弯矩 M横= 5 0 5 k N m， 外部荷载的施加仍然用来模拟以下最不利工况： 恒 图 1 7模型 m i s e s 应力图( 单位： P a ) 3 2 模型 I I I 应 力结 果 载 +活载下最大轴力 +整体升温 +桥面板非线性降 温 +横向运营风 ， 计算时没有考虑 自重的影响。 图 1 6 有 限元模 型 I I I 图 图1 8模型 m i s e s 应力图局部1 ( 单位： P a ) 图1 9模型m n s e s 应力图局部2 ( 单位： P a ) 对比图 l 3图1 5和图 l 7一图 1 9可知 ， 斜撑采用 工字型截面后， m i s e s 应力最大值从模型I I 的7 6 3 M P a 减小为模型 I 的 1 9 8 M P a ， 位于吊杆钢锚箱和环向横 隔板交界处， ra i s e s 应力减小的幅度非常明显， 说明将 斜撑改为工字型截面后， 设计合理 ， 效果明显。 4 结论 ( 1 ) 模型 I 在建模时钢与混凝土共用节点， 即假 设钢与混凝土完全共同工作 ， 其实为最理想情况； 模 型 和模型 I 在建模时完全没有考虑混凝土， 即假 设钢与混凝土完全脱空， 其实为最极端情况； 实际介 于以上两种情况之间， 因此施工时应尽量保证钢与混 凝土接触密实 ， 如采取增设剪力钉等措施加以保证。 ( 2 ) 斜撑与主拱钢管之 间的节点是本桥传力 路径中的关键部位， 本桥斜撑最终采用工字型截 面， 设计合理可靠。 ( 3 ) 本文对钢管混凝土拱建模分析的思路可 为相似结构的设计与施工提供参考。 参考文献 ： 1 王冲， 赵人达， 孙海涛单索面钢箱叠合梁钢管砼 系杆拱桥拱梁节点局部分析 A四川省公路学会桥梁 专委会 2 0 0 9年技术交流会论文集 C 成都， 2 0 0 9 2 龚曙光， 谢桂兰A N S Y S操作命令与参数化编程 M 北京： 机械工业出版社， 2 0 0 4 3 公路桥涵设计通用规范 J T G D 6 02 0 0 4 s 北 京： 人民交通出版社 ， 2 0 0 4 4 项海帆高等桥梁结构理论 M 北京： 人民交 通出版社 ， 2 0 0 1 ( 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 4 0 2 ) I a wa fl An a l y s i s o n Co nc r e t e 砌e d St e e l Tubu l a r Ar c h o f A Ti e d a r c h Br i dg e G Ch o n g 。XU Y a n g S it a o ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a ； 2 S h a n g h a i Mu n i c i p a l E n gi n e e r i n g D e s i g n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：I n t h i s p a p e r ，b a s e d o n Fi n i t e El e me n t So ftwa r e ANS YS1 1 0 a n d MI DAS C I VI L V7 4 1，a i n t e g r al mo d e l a n d t h r e e p a r t i a l mo d e l s we r e s e t u p t o a n a l y s i s c o n c r e t e fil l e d s t e e l t u b u l a r arc h o f a s t e e l b o x c o mp o s i t e b e a m a n d c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b u l ar t i e darc h b rid g e wi t h s i n g l e c a b l e p l an e a n d s u s p e n d e d r o a dC o mp a r a t i v e s t u d y i n g t h e i n flu e n c e o f t wo k i n d s o f c r o s ss e c t i o n o f i n c l i n e d b r a c e o n i t s i n t e mal f o r c e s an d f o c u s i n g o n t h e s t r e s s l e v e l o f ma i n a r c h a n d i n c l i n e d b r a c e i n t h e mo s t h a r mf u l l o a d c o n d i t i o n T h e a n aly t i c a l r e s u l t s s h o w t ha t t h e d e s i g n o f c o n c r e t e fi l l e d s t e e l t u b u l a r a r c h i S r e a s o n a b l e a n d r e l i a b l e a n d o ffe r a r e f e r e n c e f o r t h e d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n o f s i mi l a r s t r u c t u r e s Ke y wo r d s ：t i e da r c h br i d g e ；c o n c r e t e f i U e d s t e al t u b u l a r arc h；i n c l i n e d b r a c e 49 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m