钢管混凝土系杆拱桥关键节点受力分析

第４０卷第１７期　２　０　１　４年６月　山　西　建　筑　

ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｖｏ１．４０　Ｎｏ．１７　

Ｊｕｎ．　２０１４　・１８１・　

文章编号：１００９—６８２５（２０１４）１７—０１８１—０２　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）　摘要：以具体工程为例，通过建立有限元模型，对钢管混凝土系杆拱桥关键节点的受力进行了分析，并对荷载工况进行了应力分　析，以提高桥梁工况的安全系数，从而确保桥梁工程的质量。　关键词：桥梁工程，有限元，关键节点，受力分析　中图分类号：Ｕ４４８．２２　文献标识码：Ａ　

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，１，１５．２４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…；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　

收稿日期：２０１４．０４－０８　作者简介：赵云鹏（１９８ｌ一），男，在读博士，高级工程师　

的应力。首先，边界条件中，在拱桥的一端支座中，约束来自于　，　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　Ｊ，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　Ｊ，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　，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　ｊ，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　第４Ｏ卷第１７期　・１８２・　２　０　１　４年６月　山　西　建　筑　

ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｖｏ１．４０　Ｎｏ．１７　

Ｊｕｎ．　２０１４　

文章编号：１００９－６８２５【２０１４）１７—０１８２—０２　桥梁刚性地下连续墙基础竖向承载特性试验研究　

韩合秆　（河南省公路工程局集团有限公司，河南郑州４５００５２）　摘要：就如何计算和考虑桥梁基础地下墙的竖向、横向承载力和沿墙面的地基土侧摩阻力的问题进行了研究，通过原位黄土刚　性地下连续墙的竖向荷载试验以及实心体明挖基础的竖向承载力试验，比较了二者的竖向受力特性，对以后类似地质情况下地下　连续墙基础的设计有一定的参考作用。　关键词：闭合地下连续墙，竖向承载特性，侧摩阻力，地基反力　中图分类号：ＴＵ４７６．３　文献标识码：Ａ　

０　引言　桥梁基础采用矩形闭合地下连续墙最早是在１９７９年日本东　北新干线高架桥工程中，首次采用闭合刚性地连墙基础取代沉井　基础…，开创了桥梁基础应用闭合地下连续墙技术的先河。我国　于１９９２年同济大学首次进行了闭合地下连续墙竖向静载荷试　验＿２］，试验结论：地下连续墙竖向承载力形式与钻孔灌注桩受力　近似，可参照其公式计算。陈晓东等采用自平衡法对矩形闭合墙　基础进行了现场静载试验　Ｊ，通过对试验数据分析，地下连续墙　基础的竖向承载力、外侧摩阻力及端阻力的发挥作用的规律性。　文华、程谦恭等　通过闭合地下连续墙基础的竖向载荷模型试　验，对闭合地下连续墙基础的竖向承载特性进行了分析和研究。　本文通过现场竖向承载试验，研究针对墙身埋深比较浅的闭合地　下连续墙竖向承载特性，竖向荷载作用下墙侧周围侧摩阻力及端　阻力的发挥情况。　１　研究背景　根据项目研究的主要问题，选择实心体基础和地下连续墙基　础进行现场模型对比试验研究，试验场地选在黄土地区某高速公　

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。　参考文献：　路一跨线桥梁，该桥上部结构为（１３＋１６＋１６＋１３）ｍ四跨简支连　续梁桥，桥面净宽４．５　ｍ，桥梁基础采用矩形闭合地下连续墙。　现场模型试验所选场地与现场实际桥梁相差１００　ｍ，该场地　地貌单元为黄土塬。通过现场地质勘察资料，确定依托工程处于　黄土高原第四纪黄土与古土壤交替沉积的典型地层。　２现场测试元件布设及加载原理　本现场模型试验采用２个实心体基础和２个地下连续墙模　型，实心体模型与地下连续墙模型尺寸一样，元件布设见图１及　表１。　［２］　［３］　［４］　［５］　ａ）正面图　ｂ）侧面图　ｃ）平面图　注－ｏ土压力计一位移计　图ｌ元件布置图（单位：ｃｍ）　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．　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．　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．　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．　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．　

Ｔｈｅ　ｆｏｒｃｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｋｅｙ　ｎｏｄｅｓ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　ｐｉｐｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｔｉｅｄ　ａｒｃｈ　ｂｒｉｄｇｅ　ＺＨＡＯ　Ｙｕｎ．ｐｅｎｇ’＿　（１．Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ　Ｆｏｒｅｓｔｒｙ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５００４０，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｌｉａｏｎｉｎｇ　ｔｒａｆｆｉｃ　Ｐｌａｎｎｉｎｇ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ　１　１０１６６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇ　ｓｐｅｃｉｆｉｃ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ａｓ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ　ｏｆ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｎｏｄｅｓ　ｏｆ　ｓｔｅｅｌ　ｐｉｐｅ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｔｉｅｄ　ａｒｃｈ　ｂｒｉｄｇｅ，ａｎｄ　ｍａｄｅ　ｆｏｒｃｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｌｏａｄ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｆ　ｂｒｉｄｇｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｃｏｎｄｉ－　ｔｉｏｎ，ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ｅｎｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｂｒｉｄｇｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｑｕａｌｉｔｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂｒｉｄｇｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ，ｋｅｙ　ｎｏｄｅ，ｆｏｒｃｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ