大汾北水道特大橋拱腳分支空間有限元分析

大汾北水道特大橋拱腳分支空間有限元分析

管道混凝土拱橋是近幾十年開發(fā)的一種新類型。隨著管道混凝土拱橋在中國的應用，剛架部分的拱出現(xiàn)了。在下承式剛架拱橋的桿上，拱肋與橋墩固定，沒有框架。殼體桿可以認為是外部的預測。應將預制壓力調整拱的水平推力。橋墩和基礎主要是垂直彎曲。拱、拱、拱等部位的結構結構復雜，不僅受拱肋傳板的彎曲力、軸的力和系桿的張力，還受拱肋傳板的彎曲力和剪切力的影響。此外，受牛腿垂直支架反張力的影響，以及對拱節(jié)點適應性場地的分析，我們通常使用現(xiàn)代有限分析或模型試驗方法。結構和力學的復雜性和普遍性是不可避免的。因此，拱節(jié)點的屋頂分析應采用一些橋梁的具體研究所進行分析。例如，深圳火車橋和成都龍慶橋的交叉口。在這項工作中，我們分析了東莞大芬北水道大橋下甲板上的拱、框架和空間。大汾北水道特大橋位于東莞市萬江區(qū)大汾北水道三叉交匯口,主橋為單孔128m下承式鋼管混凝土剛架系桿拱橋.主拱肋拱軸線采用懸鏈線,拱軸系數(shù)1.167,矢跨比1/5,總體布置見圖1.拱肋由2根上、下弦鋼管(?1050mm×14mm,拱腳實腹段采用?1050mm×18mm)和豎、斜腹管(?500mm×10mm)焊接成桁式截面,在拱腳實腹段用鋼板連接上下弦鋼管,截面高3.5m,寬1.05m.上下弦鋼管和拱腳腹腔內泵送50#微膨脹混凝土,上、下弦鋼管內每隔2.5m設置一道加勁環(huán).系桿為可換式鋼絞線系桿,每片拱肋的系桿由12?j15.24鋼絞線組成,承擔拱肋產(chǎn)生的水平推力.該橋拱腳固結點配筋圖詳見圖2,設計中拱腳處鋼筋的布置形式及數(shù)量是拱腳能夠滿足承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的重要保證,而一般的桿系結構的橋梁整體有限元模型是無法給出拱腳內部的應力分布規(guī)律的,因此為了給拱腳結點處的鋼筋設計提供理論依據(jù),就必須對拱腳結點采用三維塊體模型進行空間受力分析.1鋼管混凝土拱肋剛度計算公式利用大型通用有限元計算軟件建立拱腳結點的空間模型,在模型中X方向為順橋向,Y方向為豎向,Z方向為橫橋向.本文研究主要對象為拱墩固結點,故根據(jù)圣維南定理,為了消除邊界效應,在空間有限元模型中將拱肋沿著拱軸線取長5.5m,帽梁取至跨中截面,墩柱取至墩柱底部.約束帽梁橫橋向(即模型中Z向)的位移,墩柱底部固結.空間有限元模型詳見圖3.計算模型采用20結點塊體單元進行網(wǎng)格劃分,該單元是高精度塊體單元,可用于不規(guī)則形體及曲線邊界而不失其精度.計算模型經(jīng)網(wǎng)格化后,共產(chǎn)生單元21240個,節(jié)點36462個.根據(jù)文獻計算鋼管混凝土拱肋剛度,如式(1)所示:EscAsc=EsAs+EcAcEscIsc=EsIs+EcIc(1)EscAsc=EsAs+EcAcEscΙsc=EsΙs+EcΙc(1)采用桿、梁單元建立了全橋空間桿系模型,將計算所得的各荷載工況下的拱肋軸力N和彎矩M轉化為不均勻壓力作用在拱肋斷面上,拱肋上下緣所受壓力用公式P=NA±MIYΡ=ΝA±ΜΙY計算.而系桿集中力則轉化為均布壓力作用于錨墊板上;牛腿的支座反力則轉化為均布壓力作用于支座墊石上.利用空間桿系有限元模型,按布載最不利原則,計算拱腳單元在Mmax、Nmax、Mmin3種不利荷載組合下的內力,具體數(shù)值如表1所示.2拱腳點受力分析計算結果表明,在3個荷載工況下,盡管應力值大小有所不同且相差不大,但總體應力分布規(guī)律相似,故以拱腳結點在荷載工況1作用下的主應力σ1、σ3及σx、σy云圖和等值面圖、應力軌跡線圖等為例進行受力分析.2.1較大拉應力圖4、圖5為整體模型的主應力σ1、σ3云圖.從圖中可以看出,拱腳結點內部的應力絕對值都較小,應力值較大的區(qū)域出現(xiàn)在拱肋與拱腳結點連接處、預應力錨點處、邊跨牛腿和帽梁箱壁連接處.預應力錨點處由于系桿力較大,故錨墊板處出現(xiàn)比較大的壓應力,而在四周圍則出現(xiàn)較大的拉應力;拱肋與拱腳結點相交處也出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象,這主要是由于拱肋內力要逐漸傳給拱腳結點的混凝土,因此在連接處出現(xiàn)較大壓應力,但上述應力值均沒有超出混凝土抗壓設計強度.在拱肋與拱腳連接處周圍出現(xiàn)了拉應力,且有小部分區(qū)域的拉應力超過混凝土抗拉設計強度,特別是混凝土實體的角點處,如圖4中A所示位置,但屬于局部現(xiàn)象.邊跨牛腿同帽梁箱壁連接處出現(xiàn)了大面積拉應力區(qū)域,且應力值超過了混凝土的抗拉設計強度,如圖4中B所示位置.最大的拉應力出現(xiàn)在邊支座附近,這主要由于邊跨橋面?zhèn)鱽淼妮^大的豎直支座反力而引起.墩柱在水平向受到了不平衡的系桿預應力和拱肋的水平推力的作用,墩頂向主拱方向變形,而在豎直方向受牛腿處豎向力的壓曲作用,但應力值都不大.并且由于在建立有限元模型中對墩柱底部固結,而實橋中墩柱是和承臺、樁基一起位移,因此實際應力值將會較計算值小.2.2拱肋內力分析圖6是整體模型的主應力跡線圖.整體模型主應力跡線主要表現(xiàn)為藍色,說明結點受力主要以第三主應力即以受壓為主,說明設計合理.在縱橋向,拱肋內力一部分分支為水平推力,由系桿力來平衡,在主應力跡線圖上表現(xiàn)為系桿力的主應力跡線指向拱肋端部并與拱肋主應力跡線相接,形成從拱肋至系桿錨區(qū)主壓應力跡線流,它構成了拱腳結點受力的最主要特征.拱肋內力另一部分則分支為豎直分力連同支座豎向反力傳至墩柱.在主應力跡線圖上明顯地看到多束方向向下沿著墩柱箱壁傳至墩柱底部的應力跡線流;在墩柱中間部分,由于截面的減小,發(fā)生了應力集中現(xiàn)象,應力跡線在這位置密集.同時可看出除了拱肋與結點連接處和系桿錨點處外,其他位置的應力跡線比較稀疏,這說明應力值較小.2.3同墩柱—縱橋向剖面分析為了能夠更好的看清拱腳結點內部的應力分布,同時也為了說明拱腳結點在縱橋向主要還表現(xiàn)為平面受力狀態(tài),沿縱橋向在拱軸截面處進行剖切分析.圖7與圖8為剖面在最不利工況1下的各應力云圖.從σ1云圖中可看出,在拱腳結點內部絕大區(qū)域主要表現(xiàn)為拉應力,應力方向為橫橋方向,并且拉應力值很小,在0.26～0.78MPa范圍之內變化.只有在同墩柱連接處和拱肋連接處出現(xiàn)了寬度約0.3m的壓應力區(qū),如圖7中A、B區(qū)域,但應力值均小于1MPa.從σ3應力云圖中則可發(fā)現(xiàn),其拱腳結點內部絕大部分區(qū)域表現(xiàn)為壓應力.由于拱腳結點主要受到拱肋內力與系桿預應力的共同作用,所以在云圖中出現(xiàn)了一片幾乎貫穿整個結點寬度,高度約為2m,壓應力從系桿錨點處和拱肋與結點連接處向拱腳結點中心逐漸衰減的區(qū)域.具體位置見圖8中C所示區(qū)域.其應力值變化范圍在-1.1～-3.9MPa之間,結點中心處壓應力值最小.在系桿錨點處壓應力值從-14.4MPa向結點內部延伸約1m,很快衰減為-3.9MPa.而拱肋內力沿著拱軸線,在連接處以下1m范圍內壓應力值從-11.6MPa很快衰減為-3.9MPa.其它區(qū)域應力值均在-1.1MPa以下.3拱腳點內部應力分布通過大汾北水道特大橋主橋拱腳結點空間有限元計算與分析,發(fā)現(xiàn)