下承式梁拱组合连续梁桥拱脚空间应力分析

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路与 汽运

总第190期

Highways A Automotive Applications

下承式梁拱组合连续梁桥拱脚空间应力分析

关伟1 !巩应山2

(1.山西省交通科学研究院，山西太原

030006&.太原市政建设集团有限公司，山西太原

030002)

摘要：针对下承式梁换组合连续梁桥结构静力模型计算时换脚处梁换结合部应力失真的问 题，以山西运城市某省道上一座下承式梁换组合连续梁桥为研究对象，采用MIDAS/FEA有限元 软件对该区域进行三维空间有限元实体建模分析，得出换脚处梁换结合部区域在成桥阶段活载作 用下的应力分布状态，确定其应力集中区域并对结构设计进行改进。

关键词：桥梁；下承式梁换组合连续梁桥&共脚；应力分布

中图分类号：U446.1

文献标志码：A

文章编号！671 — 2668(2019 )01 — 0136 — 0!

对下承式梁拱组合连续梁桥采用结构静力模型

进行计算时，由于该区域应力分布状态复杂，加之结 构静力计算采用平面杆系模型，无法得到拱脚处梁 拱结合部区域真实的应力分布状态，计算结果失真， 有必要对成桥阶段拱脚处梁拱结合部区域结构应力 状态进行分析。该文以山西运城市某省道上一座下 承式梁拱组合连续梁桥为背景，采用MIDAS/FEA 有限元软件根据实桥构造尺寸、预应力布置及边界 条件对拱脚处梁拱结合部区域进行建模分析，以反 映结构的真实应力分布状态，为同类型桥梁设计和 施工提供参考。

桥型立面布置见图1%上部结构主梁采用整体3片 T

梁断面，主梁高17 m，中跨拱肋矢高9 m，矢跨比

为1 : 6.667,拱肋轴线为悬链线。拱脚拱座为从主 梁桥墩中心线处梁顶面凸起的2条边为曲线的三角 形，横桥向宽度同主梁梁肋宽度。吊杆采用单索面， 两榀拱肋间采用3道一字形横撑连接。桥面下层铺 设

10 cm厚

C50钢纤维防水砼调平层，上层铺设10

cm厚沥青砼，桥面两侧设置防撞墙，汽车荷载等级

为公路一I级。

2有限元模型建立

根据桥型布置及上部结构尺寸建立图2所示有

1工程概况

限元模型。主梁两伸缩端、拱脚处墩顶横桥向主梁

运城市某省道上一座下承式梁拱组合连续梁桥

下分别设置3个盆式支座，主梁按三跨连续梁结构 图式进行约束。拱脚在桥墩中心线主梁顶面处与拱 座固结，拱肋间横向连接分别与两榀拱肋固结，吊杆

全长120 m，跨径布置为（27 + 60 + 27) m，桥梁平面

位于直线段上，分左、右幅设计，单幅桥宽16.5 m。

300 2 700 10 x 600 2 700 300

图1桥型立面布置（单位 ：cm)

2019年第1期关伟，等：下承式梁换组合连续梁桥换脚空间应力分析137

与拱肋及主梁分别固结。该区域主梁和拱座砼采用实体单元模拟，并采

用自动网格进行划分，实体单元长度按30

cm

控制，

拱肋钢管及管内砼实体单元长度按10'+控制。主 梁纵、横桥向预应力钢束采用钢筋梁单元模拟，并对 其进行线网格划分，单元长度按10 预应力钢束模型见图！。

根据弹性力学中圣维南原理，拱脚处梁拱结合

部的应力分布只与其附近区域的应力状态有关，远 离该区域的应力状态对其应力分布影响很小，一般 可忽略不计。取拱脚处梁拱结合部区域拱脚拱座纵 桥向长度分别向主梁小、大桩号延伸0.75

cm

控制。主梁

m

范围及

主梁延伸后竖向对应的左右侧拱肋建立梁拱结合部 三维空间有限元实体模型，模型中主梁包含3道横 梁、1道墩顶横梁及小、大桩号侧各1道跨间横梁 (见图3\"

3

3.1

荷载工况及边界截面荷载施加

荷载工况

考虑拱脚处梁拱结合部区域结构在成桥阶段中

的最不利应力状态，取1

\"

！种荷载工况进行分析(见表

从结构静力计算平面杆系模型计算结果中提取

施加于有限元实体模型的边界截面荷载，各荷载工

图3

梁拱结合部有限元实体模型

况下边界截面荷载取值见表2。

表1

工况编号 工况I 工况％工况'工况&

阶段

荷载工况

说明

荷载效应组合

频遇组合（在墩顶主梁产生最大负弯矩时正截面抗裂）

成桥阶段有活载频遇组合（在墩顶主梁产生最大负弯矩时斜截面抗裂） （活载偏载布置）频遇组合（在拱肋拱脚截面产生最大轴力时正截面抗裂)

频遇组合（在拱肋拱脚截面产生最大轴力时斜截面抗裂)

结构在自重、桥面二期恒载、预应力荷 载、砼收缩徐变荷载、温度荷载、活载

作用下

表2

主梁小粧号侧截面内力

工况编号

轴力Nj

kN

边界截面荷载取值主梁大粧号侧截面内力

拱肋截面内力（单侧）

轴力Nj

kN

剪力Q*/

kN

弯矩(kN • m)

轴力Nj

kN

剪力Q*/

kN

弯矩MJ (kN • m)

剪力Q*/

kN

弯矩MJ (kN • m)

工况I工况％工况'工况&

一25240一25240一25 240一25 240

一1 401一1 419一1 761一1 761

一18 243一17 896一11 163一11 163

一12 673一12 789一13 304一13 328

3 0333 0743 1583 144

一3 284一2 811一1 835一2 052

一4 954一4 921一6 773一6 853

一2 764一2 746一 3 563一3 600

一3 500一3 479一2 998一2 999

3#边界截面荷载施加

在拱脚处梁拱结合部区域结构三维空间有限元

质心与截面上各实体单元节点刚性连接，依据静力 等效原则将作用在结构有限元实体模型上的边界截 面荷载分别对应施加在！个截面质心上，将边界截 面荷载转化为有限元实体模型的！个截面单元表面

实体模型的主梁小、大桩号外侧截面及两榀拱肋截 面分别创建刚性连接，共

！个刚性连接。！个截面

138

公路与 汽运

2019年1月

的分布面力和各节点上的节点荷载。对实体模型施 加边界截面荷载时，需注意从结构静力计算平面杆 系有限元模型中所提取荷载的方向，根据二者的坐 标系统使其相对应。

裂）荷载作用下模型正应力（以拉应力为正、压应力 为负）分布等值线见图5

从图5可以看出：1)模型

97. 91的节点均处于受压状态，正应力较大区域为 墩顶横梁上侧桥面顶缘、拱座小桩号侧三角形曲线 面预应力锚固端左侧，但正应力小于0.9!MPa，最 大正应力出现在拱座大桩号侧三角形曲线面。2)

4

4.1

应力计算结果

工况I下应力

工况I (墩顶主梁产生最大负弯矩时正截面抗

拱座大桩号侧三角形曲线面上拱肋上钢管拱脚左侧 预应力锚固端处出现最大压应力，拱肋下钢管拱脚

10.2%+1.363e+001

■ 0.3% +1.056e+0010.6% +7.491e+0000.8% +4.420e+000+1.349e+00054.1%-q a〇/ —1.722e+000 ?r4S/^.793e+000 -}?*f〇V〇-7.864e+000 -i y/°-l.〇93e+001 -Vao/ -l-401e+001 Tio/ -l-708e+001 }：lJ? -2.015e+001 -n5o/° -2.322e+001 ln5〇/° -2.629e+001 Jnio/ -2.936e+001

-3.243e+001

lO-O/o -3.550e+001

U)总体图

[02% +1-3636+001

(b)纵桥向y轴正视图

|〇:3% +1.056e+001 K 10.6%+7.491e+000 0.8%+4.420e+000 +1.349e+000 54.1%'〇 >-y〇/ —1.722e+000 ^/°_4.793e+000 ii i〇/°-7-864e+000 iy/°-1.093e+001 foo/ -1.401e+001

-1.708e+001 -2.015e+001 X-5〇V° -2.322e+001

-2.629e+001 -2.936e+001 I a no/ -3.243e+001 !0.0/〇 _3.55〇e+〇〇l

图5

右侧出现最大拉应力。4.2

工况％下应力

工况I下模型正应力分布等值线图（单位：MPa)

从图-可以看出'）模型911的节点均处于受压状 态，但主压应力小于1.26MPa。2)主拉应力较大 区域为拱座大桩号侧三角形曲线面上拱肋上钢管拱 脚处。

工况％ (墩顶主梁产生最大负弯矩时斜截面抗

裂）荷载作用下模型主拉应力分布等值线见图-。

图'

4.3

工况&下应力工况'

工况％下模型主拉应力分布等值线图（单位：MPa)

抗裂）荷载作用下模型主拉应力分布等值线见图8。 从图8可看出'）模型93.1%的节点均处于受压状 态，但主压应力小于0/1 MPa。2)主拉应力较大 区域出现的位置同工况％，但其值比工况％略小。

I

+3.814e+001

+3.510e+0010.1%+3.206e+0010.1%+2.902e+0010.2%+2.598e+001+2.294«+0010.3%+1.990e+0010.4%+1.686e+0010.6%+1.382e+0010.8%+1.078e+0011.1%+7.745e+0001.7%

3.5%+4.705e+000+1.666e+00089.8%''-1.374e+000n -4.414€+000

-7.453e+000 0•0/〇 _i.〇49e+001

0.0%0.0%n (YVn +3.814e+001 00% +3.510e+001 0:1%+3.206e+0010.1%+2.902e+0010.2%+2.598e+001+2.294e+001_ 0.3%+1.990e+0010.4%+1.686e+0010.6%+1.382e+001 0.8% +1.078e+001 11.1% +7.745e+000 1.7% +4.705e+0■0003.5%on 〇〇/\"J* 1 *6666+000? i〇/o-l-374e+000 \\ ]〇/ -4.414e+000 n n〇

0.0//° -7.453e+000 〇 _l.〇49e+001

（拱肋拱脚截面产生最大轴力时正截面

抗裂）荷载作用下模型正应力分布等值线见图7。 从图7可看出'）模型98.7%的节点均处于受压状 态，正应力较大区域为墩顶横梁上侧桥面顶缘、拱座 小桩号侧三角形曲线面预应力锚固端左侧，但正应 力小于0.75MPa。2)最大正应力出现位置同工况 I，但其应力值比工况I略小。

5设计改进

根据图4,拱座大桩号侧三角形曲线面上拱肋

上钢管拱脚左侧预应力锚固端处出现的最大压应力 主要是由于施加边跨拱座预应力短钢束张拉力预应 力传力所致。模型中未设置预应力钢束锚下加强钢

4.4 工况'下应力

工况&(拱肋拱脚截面产生最大轴力时斜截面

2019年第1期关伟，等：下承式梁换组合连续梁桥换脚空间应力分析139

ju.j/0 +6_182e+〇〇〇

10 1% +l-181e+001

In W〇 +8.995e+000 n 10/. +1.181e+001

〇 i〇/° +8.995e+000

I

a〇〇/o -3:320e+001

0.9%

52.8%'+5.563e-001

-2.257e+00010.4%'

ifi7〇7-5〇69e+000

90°/o -1.0707-882e+00° e+0013；6°/〇

-1.351e+0011.9%1.632e+0011.5%1.913e+0010.9%-2.195e+001.%-2.476e+0010.4%-2.757e+001.%e+001[0.0%-3.039-3.320e+001

0602

(a)总体图

图7

(b)纵桥向y轴正视图

工况&下模型正应力分布等值线图（单位：MPa)

I

u)总体图

84.4%''-3.484e-002n〇〇/° -2.866e+000 n i〇/° -5.697e+000 n n〇/° -B.527e+000 °*0/o -1.136e+001

(b)纵桥向y轴正视图

+2.796e+000^/o-3.484e-002

-2.866e+000 -5.697e+000 n n〇/° -B.527e+000 °*0/o -1.136e+001

图8工况'下模型主拉应力分布等值线图（单位：MPa)

筋，设计中应对拱脚处拱座锚下设置钢筋网片，并加 大预应力钢束锚固端头周围钢筋布置密度，以分散 预应力锚固端过大的局部应力。

对于拱座大桩号侧三角形曲线面上拱肋下钢管

拱脚右侧出现的最大主拉应力，可在拱肋拱脚处设 置缀板，増强拱肋拱脚连接的可靠性并改善拱脚与 基座连接处的应力状态，缀板应在主梁预应力钢束 张拉完及主梁支架拆除后与拱肋焊接，避免缀板产 生初始应力。同时在拱脚端面上设置切向钢板，在 拱肋拱脚内部砼中布置一定数量钢筋伸人拱座中。

收稿日期：2018 — 07 — 27*

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(上接第135页）

计施工有较大的安全储备；相比于刚性横梁法，广义 梁格法由于不再假定横梁刚度无穷大，转而考虑了 因弯扭耦合作用产生的主梁实际挠曲变形和扭转变 形，其计算结果与梁格法数值模型相差不大。

[

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收稿日期：2018 — 03 — 14