钢管混凝土系杆拱桥关键节点受力分析

赵 云 鹏

(1.东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150040;2.辽宁省交通规划设计院，辽宁沈阳 110166)

在桥梁施工中，为强化钢管混凝土系杆拱桥关键节点的受力行为，可以采用有限元方法分析钢管混凝土系杆拱桥全过程思维非线性受力行为，建立钢管混凝土拱桥整体模型，分析整体受力行为，提高桥梁工况的安全系数。以下对此做具体分析。

1 工程概况

针对某钢管混凝土系杆拱桥桥梁施工工程进行分析，该工程中，其主桥是单跨下承式钢管混凝土系杆拱桥，92.5 m的主桥跨径，主桥的矢跨比约为1/5，主桥的桥面全宽是18.65 m，主桥中桥面的一半架设着输油管线，另一半专门供汽车和人群通行。桥体工程中，系杆轴线是半径为2 500 m的圆凸曲线，主桥的拱肋采用哑铃型的截面，截面高度为180 cm，其中的单根钢管直径为80 cm，钢管以及腹板厚度为1.4 cm，拱肋内倾角是12°，该桥的吊索为16根φ15.24环氧喷涂钢绞线，为降低拱肋水平推力影响桥面混凝土板的质量，因此该桥的钢横梁上方处还布置了较为稀疏的焊钉，以此来避免汽车发生水平滑动。且该桥桥面混凝土板厚度20 cm，并采用的是现场整体浇筑施工技术，铺装层采用7 cm沥青混凝土。

2 构造关键节点

2.1 分析构造钢管混凝土系杆拱脚节点

对于该桥的建设中，由于其采取钢结构方案，从而将会导致在构造桥体拱脚节点中面临复杂问题，不仅需要在拱脚节点的连接中加许多劲肋板，而且也将会预留许多焊缝;因此在拱脚节点构造中，应该根据拱脚节点的构造特点，从弯矩传递、轴力传递、剪力传递三个方面阐述节点传力的构造。首先，在桥体的弯矩传递中，为了确保钢管混凝土拱肋的质量，应该保证拱肋可以深入到1.4 m系梁顶面下，有效传递弯矩以此来保证桥梁拱肋同系梁的刚接［1］;其次，就是对于桥体的轴力传递中，可以在拱肋倾斜角度之上加劲肋板，另一侧拱肋则需要焊接在系梁内钢管外壁之上;最后，通过上弦拱肋以及系梁内部焊接的剪力传递。

2.2 构造钢管混凝土系杆空钢管吊装节点

针对该桥工程施工中，采用浮吊整体吊装，在拼装主桥钢结构中，可以实施采用4点吊装法，确保桥梁结构的稳定性，针对未灌注混凝土的桥体进行安装。将主桥体钢结构整体吊装到桥位，确保吊装期间内的拱肋为空钢管结构，同时加强构造吊装节点，避免吊装节点出现应力集中的现象。

3 分析系杆拱桥关键节点的受力行为

3.1 创建有限元模型

为分析拱桥关键节点的受力，采用有限元模型分析桥结构不同施工阶段内力，并分析在关键节点区的内力情况，采用梁单元、杆单元以及实体单元，根据桥梁工程的实际情况计算拱桥关键点的应力。首先，边界条件中，在拱桥的一端支座中，约束来自于X，Y，Z三个方向上的自由度，并能够模拟该桥梁的状态，固接连接拱桥拱肋与拱桥拱座;针对预应力钢绞线实施建模，确保拱桥吊杆与系杆、拱肋的节点耦合，使其可以建立连接关系，保证平动自由度耦合。其次，就是建立整体有限元模型［2］，将实施钝化虚拟梁单元，把混凝土梁与钢管梁的共节点连接在一起，正装分析主桥。再者，在节点精细的有限元模型中，在ABAQUS平台中完成对拱脚节点的有限元分析，以及对吊装节点有限元的分析，然后可以根据圣维南原理，远离区域边界条件不会影响计算结果，只需延长拱肋与系梁传递方向上的长度，以此来降低消除边界条件对计算结果的影响［3］，简化处理洞口倒角、人孔以及支座，模拟钢板分壳单元。最后再采用扫略网格划分技术，综合考虑网格尺寸，分析材料的非线性行为，对改进后的吊装节点进行有限元分析，从而得出吊装节点的应力分布情况，改善桥梁工程质量。

3.2 分析承载力

在ABAQUS平台中，定义该桥梁施工过程中的各个施工阶段，在桥梁施工中，其第1个阶段，也就是吊装拱桥拱肋的完成阶段，第2个阶段，就是拱桥拱肋下层混凝土施工阶段，第3个阶段，就是压注拱肋腹腔混凝土，第4个阶段，就是压注拱肋上层的混凝土。针对该桥梁工程中拱脚节点的两种吊装方案，根据吊装中存在的应力集中现象，因此在上顶板连接中，应该确保锐角钢板应力最大达到180 MPa［4］，并且还应该保证底板在本工程中不是受力构件，同时对于横隔板也应保证其不是受力构件，同时对于施工中吊装加载位置的转变，施工中的桥梁底板的应力，也应该随此产生一定的变化，能够从80 MPa一直减小到10 MPa为止，确保横隔板的应力在30 MPa，有效防止截面畸变。在承载力分析中，并且对钢管混凝土系杆拱桥进行有限元方法分析关键节点受力之后，发现纵向隔板应该承担水平轴力，其最大应力应该是111 MPa［5］，并能在桥梁设计中重点关注该区域的应力集中情况;再有，拱脚节点区板件应力要小于钢材应力，提高其结构的安全可靠性，使管内混凝土最大压应力在13 MPa，钢板应力应该在100 MPa以下，这样就可提升桥梁整体质量。

3.3 分析拱桥吊装节点的应力

在该桥梁工程中，应用有限元方法，在ABAQUS平台中分析拱肋钢管吊装节点的应力分布，可以得出，对于未灌注混凝土的钢管，其钢管径向的刚度较小，由于吊点力集中的影响，因此吊装中钢管极易产生“捏扁”变形，安全储备低，因此应提高拱肋钢管的径向刚度，改善主桥中的拱肋钢管受力行为。针对在极限状态中的吊装节点，分析此时的下弦钢管状态，故此得出，可以在下弦钢管腹板的位置上，改进下弦钢管的径向刚度，确保可以传递更多的吊点力到上弦钢管中，改进吊装节点方案，在钢管相交截面位置设2道环向加劲肋，使吊装节点的应力由原来209 MPa降到136 MPa，改善吊点区的应力分布情况，降低吊点区钢管变形的发生几率，提高桥梁施工质量。

4 结语

在桥梁工程中，应该采用有限元分析法，分析钢管混凝土系杆拱桥关键点的受力工况，研究拱脚节点同吊装节点在设计荷载与极限状态下的受力行为，并能够采用拱脚节点构造形式，对下弦钢管环进行加强，承载安全系数由3.08提高到4.50，改善吊点区钢管径向刚度与承载力，提升桥梁工程质量。

［1］李青山.钢管混凝土系杆拱桥中墩处拱脚应力分析［J］.山东交通学院学报，2012，7(18)：41-42.

［2］杜士杰，宋宏祥.龙屯路立交钢管混凝土简支系杆拱桥主桥设计研究［J］.铁道标准设计，2011，14(12)：76-77.

［3］徐晏平.钢管混凝土柔性系杆拱桥施工阶段的静力计算分析［J］.湖南城市学院学报(自然科学版)，2010，21(14)：56-57.

［4］李宏江，朱才明，刚 勤，等.钢管混凝土柔性系杆拱桥施工阶段的静力计算分析［J］.铁道标准设计，2011，6(34)：45-46.

［5］周列茅.钢管混凝土系杆拱桥关键节点的受力行为［J］.公路交通科技，2012，24(32)：54-57.