大跨度连续梁拱组合桥梁吊杆应力分析

马俊骥

（新疆交通建设(集团)有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

大跨度连续梁拱组合桥梁具有走行性好、方便维护、结构变形小、抗疲劳性能强、技术经济性好等优点。近年来，随着设计水平的提升，梁拱组合桥梁在我国得到了广泛应用。梁拱组合桥梁的受力十分复杂，吊杆张拉过程影响着全桥的应力分布，因此，其设计过程显得十分重要。国内外很多学者进行了大跨度连续梁拱组合桥梁的应力分析，并取得了一定效果。姚君芳通过分析梁拱传力机制和应力分布特征，认为嵌入深度增大后，钢筋混凝土连接处的应力迅速下降，即在连接处设置钢板可以有效地分散应力[1]；龚俊虎研究了V型桥墩的梁拱结合部位传力机制和应力分布，认为梁拱结合部位处于三向受压，应在局部危险部位设置防裂钢筋网络[2]；欧阳辉来等利用ANSYS有限元软件分析了某承式箱桥梁拱组合部位的吊杆应力分析，认为梁端的四道隔板和上下拱肋连接处的受力情况最复杂，应力集中，应进行加强处理[3]。本文从某大跨度连续梁拱出发，分析了桥梁吊杆的应力分布，并介绍了大跨度连续梁拱组合桥梁的特点和研究现状，确定了局部模型的分析方法和边界的处理情况，建立了分析模型，利用ANSYS有限元法对该桥梁吊杆模型进行应力分析，得到其应力分布情况，找出了运行中危险工况下的应力分布规律以及影响因素，提出了改进该桥梁结构的措施，为大跨度连续梁拱组合桥梁设计提供有益的参考。

1 桥梁概况

某桥梁主桥采用63m+136m+63m=262m，宽度32m，采用混凝土连续中孔钢管体系，梁体分为三段：左边拱、主拱肋、右边拱。全桥共设置吊杆17根，采用钢铰线整束挤压拉索。主拱肋采用15—31型，共11根，吊杆长度为32～39m，编号自东向西依次为1#～11#，水平倾角为40.6～89.1°；边拱肋采用15—25型，共6根，东边拱肋吊杆编号从东到西依次为15#～17#、西拱肋为12#～14#，吊杆长度为7.9～14.4m，水平倾角为40.9～69.9°。施工顺序为满堂支架拼装主梁、主梁上满堂支架浇筑拱肋、拆除梁上拱肋支架进行吊杆张拉、拆除满堂支架及临时墩、桥面铺装、成桥，如图1所示。

图1 某大跨度连续梁拱组合桥梁示意图

2 全桥有限元模型建立

桥梁有限元法模型计算采用ANSYS有限元软件，对组合桥梁进行仿真分析，分析过程中须注意以下情况：时间材料特性、组的激活、材龄不同的混凝土构件的徐变、结构模型的变化、材龄不同的混凝土构件收缩应变、载荷条件的变化、混凝土抗压强度随时间的变化、边界条件的变化[4]。有限元分析中各种连续桥梁梁拱材料参数情况如表1所示[5]。

表1 连续桥梁梁拱材料参数情况

采用ANSYS有限元分析软件进行模型分析。吊杆用只受拉桁架单元模拟，主梁、拱肋、风撑用梁单元进行模型。全桥建模使用了215个节点，237个单元，包括209个梁单元和28个桁架单元。由于某大跨度连续梁拱的拱肋不对称，且吊杆长度也不相同，导致不同的吊杆应力不同，若同时进行张拉，控制有一定难度[6]。按设计拉力值的60%进行张拉，不断进行调索。依次张拉中跨7#、6#、5#、4#、3#、2#、8#、10#、1#、9#、11#索。东边跨16#、15#、17#索，西边跨13#、12#、14#索。吊水平受力情况见表2。

表2 吊杆受力情况分析

大跨度连续梁拱组合桥梁吊杆第一次张拉完成后，其拱肋和主梁的应力分布见图2。从图2中可以看出拱肋处于受压状态，最大应力约为12.15MPa，符合设计的受力范围。此吊杆方案在理论上是可行的。

图2 大跨度连续梁拱组合桥梁应力分布图

3 公路工程损害的防治

根据前述对大跨度连续梁拱组合桥梁吊杆的应力分析，结合全桥梁的应力分布情况，得出梁拱结合部位的优化措施，改善其应力分布性能，具体如下[5-7]：

（1）拱肋中的钢筋应穿过梁拱进入主梁结构中，这样可以使拱肋与梁拱结合面的应力分散，消除应力集中引起的疲劳；

（2）加强拱肋、梁拱、主梁间的结合，使其成为一个有机的整体，应力能够有效的分散；

（3）拱座与上、下管弦间的结合处应设置钢筋网进行连接，使拱肋和拱座成为整体，优化其应力分布和应力传递；

（4）加强拱座与主梁之间锚杆筋的数量，结合拱座的设计，确定其数量值和角度，使设计水平达到最优；

（5）支座钢垫板处进行钢筋网结构改造可以消除支座内部的应力集中，一般在支座处布置3～4层钢筋网。

4 结语

随着我国桥梁设计水平的提高，大跨度连续梁拱组合桥梁在公路桥梁建设中得到了广泛应用。本文介绍了大跨度连续梁拱组合桥梁的特点和研究现状，从某公路大跨度连续梁拱组合桥梁概况出发，给出了桥梁材料的各种参数，并利用ANSYS有限元法对桥梁吊杆进行了有限元分析，得出了其应力分布情况，找出了运行中危险工况下的应力分布规律以及影响因素，提出了改进该桥梁结构的措施，为大跨度连续梁拱组合桥梁设计提供有益的参考。

[1]姚君芳.永修刚架系杆拱脚动静力特性研究及刚结点局部应力分析[D].长沙：中南大学，2009.

[2]龚俊虎.大跨度V型墩连续刚构与拱组合桥受力特性研究[D].成都：西南交通大学，2009.

[3]欧阳辉来，张万华.新开河大桥拱脚设计及局部应力分析[J].世界桥梁，2009（3）：33-35.

[4]赵训刚.中承式钢箱混凝土连续梁拱组合桥拱梁结合部模型试验与数值分析研究[D].成都：西南交通大学，2011.

[5]解文成，李子特.混凝土徐变对连续刚构桥长期下挠的影响研究[J].河南城建学报，2012（1）：4-7.

[6]彭桂瀚，陈宝春，孙潮.下承式钢管混凝土钢架系杆拱桥拱脚有限元应力分析[J].福州大学学报，2007（2）：85-88.

[7]韦伟，张俊平.吊杆张拉程序对梁拱组合体系内力影响的分析[J].广州大学学报：自然科学版，2012，11（2）：43-47.