大汾北水道特大桥拱脚分支空间有限元分析

大汾北水道特大桥拱脚分支空间有限元分析

管道混凝土拱桥是近几十年开发的一种新类型。随着管道混凝土拱桥在中国的应用，刚架部分的拱出现了。在下承式刚架拱桥的杆上，拱肋与桥墩固定，没有框架。壳体杆可以认为是外部的预测。应将预制压力调整拱的水平推力。桥墩和基础主要是垂直弯曲。拱、拱、拱等部位的结构结构复杂，不仅受拱肋传板的弯曲力、轴的力和系杆的张力，还受拱肋传板的弯曲力和剪切力的影响。此外，受牛腿垂直支架反张力的影响，以及对拱节点适应性场地的分析，我们通常使用现代有限分析或模型试验方法。结构和力学的复杂性和普遍性是不可避免的。因此，拱节点的屋顶分析应采用一些桥梁的具体研究所进行分析。例如，深圳火车桥和成都龙庆桥的交叉口。在这项工作中，我们分析了东莞大芬北水道大桥下甲板上的拱、框架和空间。大汾北水道特大桥位于东莞市万江区大汾北水道三叉交汇口,主桥为单孔128m下承式钢管混凝土刚架系杆拱桥.主拱肋拱轴线采用悬链线,拱轴系数1.167,矢跨比1/5,总体布置见图1.拱肋由2根上、下弦钢管(ϕ1050mm×14mm,拱脚实腹段采用ϕ1050mm×18mm)和竖、斜腹管(ϕ500mm×10mm)焊接成桁式截面,在拱脚实腹段用钢板连接上下弦钢管,截面高3.5m,宽1.05m.上下弦钢管和拱脚腹腔内泵送50#微膨胀混凝土,上、下弦钢管内每隔2.5m设置一道加劲环.系杆为可换式钢绞线系杆,每片拱肋的系杆由12ϕj15.24钢绞线组成,承担拱肋产生的水平推力.该桥拱脚固结点配筋图详见图2,设计中拱脚处钢筋的布置形式及数量是拱脚能够满足承载力极限状态和正常使用极限状态的重要保证,而一般的杆系结构的桥梁整体有限元模型是无法给出拱脚内部的应力分布规律的,因此为了给拱脚结点处的钢筋设计提供理论依据,就必须对拱脚结点采用三维块体模型进行空间受力分析.1钢管混凝土拱肋刚度计算公式利用大型通用有限元计算软件建立拱脚结点的空间模型,在模型中X方向为顺桥向,Y方向为竖向,Z方向为横桥向.本文研究主要对象为拱墩固结点,故根据圣维南定理,为了消除边界效应,在空间有限元模型中将拱肋沿着拱轴线取长5.5m,帽梁取至跨中截面,墩柱取至墩柱底部.约束帽梁横桥向(即模型中Z向)的位移,墩柱底部固结.空间有限元模型详见图3.计算模型采用20结点块体单元进行网格划分,该单元是高精度块体单元,可用于不规则形体及曲线边界而不失其精度.计算模型经网格化后,共产生单元21240个,节点36462个.根据文献计算钢管混凝土拱肋刚度,如式(1)所示:EscAsc=EsAs+EcAcEscIsc=EsIs+EcIc(1)EscAsc=EsAs+EcAcEscΙsc=EsΙs+EcΙc(1)采用杆、梁单元建立了全桥空间杆系模型,将计算所得的各荷载工况下的拱肋轴力N和弯矩M转化为不均匀压力作用在拱肋断面上,拱肋上下缘所受压力用公式P=NA±MIYΡ=ΝA±ΜΙY计算.而系杆集中力则转化为均布压力作用于锚垫板上;牛腿的支座反力则转化为均布压力作用于支座垫石上.利用空间杆系有限元模型,按布载最不利原则,计算拱脚单元在Mmax、Nmax、Mmin3种不利荷载组合下的内力,具体数值如表1所示.2拱脚点受力分析计算结果表明,在3个荷载工况下,尽管应力值大小有所不同且相差不大,但总体应力分布规律相似,故以拱脚结点在荷载工况1作用下的主应力σ1、σ3及σx、σy云图和等值面图、应力轨迹线图等为例进行受力分析.2.1较大拉应力图4、图5为整体模型的主应力σ1、σ3云图.从图中可以看出,拱脚结点内部的应力绝对值都较小,应力值较大的区域出现在拱肋与拱脚结点连接处、预应力锚点处、边跨牛腿和帽梁箱壁连接处.预应力锚点处由于系杆力较大,故锚垫板处出现比较大的压应力,而在四周围则出现较大的拉应力;拱肋与拱脚结点相交处也出现了应力集中现象,这主要是由于拱肋内力要逐渐传给拱脚结点的混凝土,因此在连接处出现较大压应力,但上述应力值均没有超出混凝土抗压设计强度.在拱肋与拱脚连接处周围出现了拉应力,且有小部分区域的拉应力超过混凝土抗拉设计强度,特别是混凝土实体的角点处,如图4中A所示位置,但属于局部现象.边跨牛腿同帽梁箱壁连接处出现了大面积拉应力区域,且应力值超过了混凝土的抗拉设计强度,如图4中B所示位置.最大的拉应力出现在边支座附近,这主要由于边跨桥面传来的较大的竖直支座反力而引起.墩柱在水平向受到了不平衡的系杆预应力和拱肋的水平推力的作用,墩顶向主拱方向变形,而在竖直方向受牛腿处竖向力的压曲作用,但应力值都不大.并且由于在建立有限元模型中对墩柱底部固结,而实桥中墩柱是和承台、桩基一起位移,因此实际应力值将会较计算值小.2.2拱肋内力分析图6是整体模型的主应力迹线图.整体模型主应力迹线主要表现为蓝色,说明结点受力主要以第三主应力即以受压为主,说明设计合理.在纵桥向,拱肋内力一部分分支为水平推力,由系杆力来平衡,在主应力迹线图上表现为系杆力的主应力迹线指向拱肋端部并与拱肋主应力迹线相接,形成从拱肋至系杆锚区主压应力迹线流,它构成了拱脚结点受力的最主要特征.拱肋内力另一部分则分支为竖直分力连同支座竖向反力传至墩柱.在主应力迹线图上明显地看到多束方向向下沿着墩柱箱壁传至墩柱底部的应力迹线流;在墩柱中间部分,由于截面的减小,发生了应力集中现象,应力迹线在这位置密集.同时可看出除了拱肋与结点连接处和系杆锚点处外,其他位置的应力迹线比较稀疏,这说明应力值较小.2.3同墩柱—纵桥向剖面分析为了能够更好的看清拱脚结点内部的应力分布,同时也为了说明拱脚结点在纵桥向主要还表现为平面受力状态,沿纵桥向在拱轴截面处进行剖切分析.图7与图8为剖面在最不利工况1下的各应力云图.从σ1云图中可看出,在拱脚结点内部绝大区域主要表现为拉应力,应力方向为横桥方向,并且拉应力值很小,在0.26～0.78MPa范围之内变化.只有在同墩柱连接处和拱肋连接处出现了宽度约0.3m的压应力区,如图7中A、B区域,但应力值均小于1MPa.从σ3应力云图中则可发现,其拱脚结点内部绝大部分区域表现为压应力.由于拱脚结点主要受到拱肋内力与系杆预应力的共同作用,所以在云图中出现了一片几乎贯穿整个结点宽度,高度约为2m,压应力从系杆锚点处和拱肋与结点连接处向拱脚结点中心逐渐衰减的区域.具体位置见图8中C所示区域.其应力值变化范围在-1.1～-3.9MPa之间,结点中心处压应力值最小.在系杆锚点处压应力值从-14.4MPa向结点内部延伸约1m,很快衰减为-3.9MPa.而拱肋内力沿着拱轴线,在连接处以下1m范围内压应力值从-11.6MPa很快衰减为-3.9MPa.其它区域应力值均在-1.1MPa以下.3拱脚点内部应力分布通过大汾北水道特大桥主桥拱脚结点空间有限元计算与分析,发现