钢管混凝土拱桥不同拱肋截面恒载+活载作用下静力分析

钢管混凝土拱桥不同拱肋截面恒载+活载作用

下静力分析

张银松

（中铁物资集团港澳有限公司， 广东 珠海 519070）

中图分类号：TQ172 文献标识码：B 文章编号1007-6344（2019）06-0013-01

摘要：本文以某水库特大桥为研究对象，利用大型桥梁专用有限元软件Midas Civil分别建立了双横哑铃型钢管拱肋缀板填充混凝土、双横哑铃型钢管拱肋缀板不填混凝土、将双横哑铃型拱肋改为桁架拱这3种不同拱肋截面的钢管混凝土拱桥有限元模型。分析了不同拱肋截面对钢管混凝土拱桥静力性能的影响，对比了不同拱肋组合截面各部分的吊杆内力和拱肋内力的内力变化规律。

关键词：钢管混凝土拱桥；双横哑铃型钢管拱肋；有限元；静力性能

担的轴力最小，缀板混凝土次之，管内混凝土承担的轴力最大；下拱肋中缀板混凝土承担的轴力最小，钢管次之，管内混凝土承担最大；相较于上拱肋，下拱肋承担轴力更大；与恒载作用相比，在0-1/8L范围内，在恒载+活载工况下钢管承担的轴力增加约39.78%，跨中增加约22%；管内混凝土增加约21%；缀板混凝土在拱脚处增加近50%，跨中增加约36%。在恒载+活载作用下，上拱肋中不同位置截面的钢管和混凝土承担的轴力变化幅度较大，上拱肋自拱脚至拱顶轴力逐渐增大，下拱肋自拱脚至拱顶轴力逐渐减小；恒载+活载作用下拱肋弯矩较恒载作用下增加较明显，上拱肋中钢管弯矩大于混凝土承担的弯矩；下拱肋中，混凝土所受弯矩与钢管所受弯矩几乎相当。四肢桁架拱肋管内混凝土承担的轴力均大于钢管的轴力，混凝土承担的弯矩略大于钢管承担的弯矩，相差约19%。

3

3

1 主桥构造

以某水库大桥建立有限元模型，拱桥结构中采用中承式有推力钢管混凝土，有关参数如下：跨径R=248m，矢高比i=1/4，拱轴线采用m=1.5的悬链线。桥梁全宽为主桥拱肋与桥道系相交部位之间宽度，关于行车道程对称布置，具体参数如下：15m(行车道)+2×(2.75m(拱肋)+0.075m+0.5m(护栏)，桥道系全宽16m；为了方便整体桥梁的维护与检修，在吊杆范围内桥道系两侧分别加宽了1m检修通道，拱肋范围内间距由此增加到18m。

2 设计荷载

(1) 结构自重：混凝土重力密度采用26kN/m，钢材重力密度采用78.5kN/m，沥青混凝土重力密度采用20 kN/m；

(2) 汽车活载：汽车活载采用公路-Ⅰ级，按四车道加载并以规范的折减值进行计算。活载冲击系数取0.063；主拱横向分布系数取1.16；

(3) 风荷载：静风荷载按《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60-2004)第4.3.7条计算，基本风速取V10=24.5m/s；

3

对比三种拱肋受力图发现，三种不同截面组成的拱肋不同部分所受轴力相差较大，对于钢管部分，四肢桁架拱肋所受轴力最小，双横哑铃型拱肋（缀板不填混凝土）所受轴力最大，双横哑铃型拱肋（缀板填混凝土）居中；对于混凝土部分，双横哑铃型拱肋（缀板不填混凝土）所受轴力最小，双横哑铃型拱肋（缀板填混凝土）所受轴力最大，四肢桁架拱肋居中；从整体受力来看，双横哑铃型拱肋（缀板填混凝土）所受轴力最大，四肢桁架拱肋所受轴力与双横哑铃型拱肋（缀板不填混凝土）相当，但是四肢桁架拱肋略大。

3 恒载+活载作用下静力分析

3.1 恒载+活载作用下吊杆内力

吊杆是将桥面系承受的荷载通过横梁传到拱肋的重要结构，恒载作用下吊杆内力分布比较均匀，但是由于移动荷载的作用，吊杆的内力分布将会发生较大的变化，为了明确结构正常使用情况下吊杆的内力分布，计算吊杆在恒载+活载工况下的张力数值并与恒载作用下的吊杆张力进行对比。

4 结束语

（1）在静力方面，恒载作用下，双横哑铃型桁式拱肋吊杆所受张力与钢管缀板是否填充混凝土基本无关；在拱肋跨中，钢管缀板不填混凝土拱肋的吊杆张力相比其他位置下降的多；四肢桁架式拱肋结构的吊杆张力小于双横哑铃型桁式拱肋结构的吊杆张力；在恒载+活载工况下，双横哑铃型拱肋（缀板填混凝土）与双横哑铃型拱肋（缀板不填混凝土）吊杆拉力相当，略大于四肢桁架拱肋的吊杆拉力，相差较小；其次，三种拱肋边吊杆的拉力较跨中吊杆大，其中四肢桁架拱肋边吊杆的变化幅度最大。

（2）在拱肋所受轴力方面，恒载和恒载+活载两种工况下，三种不同截面组成的拱肋不同部分所受轴力相差较大，对于钢管部分所受轴力，四肢桁架拱肋<双横哑铃型拱肋（缀板填混凝土）<双横哑铃型拱肋（缀板不填混凝土）；对于混凝土部分，双横哑铃型拱肋（缀板不填混凝土）<四肢桁架拱肋<双横哑铃型拱肋（缀板填混凝土）；从整体受力来看，双横哑铃型拱肋（缀板填混凝土）轴向受力最大，四肢桁架拱肋轴向受力与缀板不填混凝土双横哑铃型拱肋相当，但是四肢桁架拱肋略大。

参考文献

[1]陈宝春, 韦建刚, 林嘉阳. 钢管混凝土拱空间受力性能分析[J]. 福州大学学报, 2006, 34(5):732-738.

[2]陈宝春, 韦建刚, 王加迫. 钢管混凝土拱桥的挠度限值研究[J]. 中国公路学报, 2007, 20(6):56-60.

[3]陈宝春, 徐爱民, 孙潮. 钢管混凝土拱桥温度内力计算时温差取值分析[J]. 中国公路学报, 2000, 13(2):52-56.

[4]陈宝春, 赖秀英. 钢管混凝土收缩变形与钢管混凝土拱收缩应力[J]. 铁道学报, 2016(2):112-123.

[5]赵均海, 顾强. 钢管混凝土承载力的研究[J]. 建筑科学与工程学报, 2001, 18(2):1-4.

a 恒载+活载作用下右吊杆张力 b 恒载+活载作用下左吊杆张力 图1 恒载+活载作用下吊杆张力

由图1可以看出，在恒载+活载工况下，双横哑铃型拱肋（缀板填混凝土）与双横哑铃型拱肋（缀板不填混凝土）吊杆拉力大致相当，均大于四肢桁架拱肋吊杆在恒载+活载工况下的拉力，但是三者数值相差较小；其次，三种拱肋边吊杆由于较短，其线刚度较大，因此，边吊杆的拉力较跨中吊杆大，其中四肢桁架拱肋边吊杆的变化幅度最大。 3.2 恒载+活载作用下拱肋内力

桥梁结构除了承受自重之外，还要承受外荷载作用，其中最重要且最常见的就是汽车荷载。因此，要想了解结构的受力性能，不仅要研究结构在自身恒载作用下产生的效应，更应该研究结构在外荷载作用下的受力行为，本小节利用有限元程序计算了不同截面参数下拱肋在恒载+活载工况下产生的效应，以期找出三种形式拱肋受力上的优缺点以及供设计参考的可行性。

经模拟计算，三种截面拱肋结构在恒载+活载工况作用下，无论上拱肋还是下拱肋均为全截面受压，拱肋截面中管内混凝土承担的轴力最大。上拱肋中缀板承