钢管混凝土拱桥复杂节点局部力学性能分析

赵菊梅ZHAO Ju-mei

（云南工程建设总承包股份有限公司，昆明 650500）

0 引言

钢管混凝土作为一种钢结构和混凝土的组合材料，应用在拱桥结构中，能够较大程度上减小拱桥的自重，提高其承载能力，增大拱桥整体跨径长度[1]，且在施工过程中的优越性以及较大程度的节约造价，使其在我国的公路建设中得到大量的发展和应用[2]。

钢管混凝土是指在钢管内灌注混凝土而形成的组合结构共同受力，钢管的抗弯和弹塑性能力都较为优秀，而混凝土的抗压能力较强，钢管混凝土组合结构是将二者的优点结合起来，共同受力，其性能远优于二者的简单叠加。但同时，由于钢管和混凝土的共同作用，使得钢管混凝土的节点处于较为复杂的受力状态下，尤其是在拱肋拱脚处的受力行为比较突出。本文以某钢管混凝土拱桥为例，截取其拱肋拱脚位置处的几何形状进行有限元分析，结果表明，最大主拉应力出现在拱肋、拱脚和系梁交接处，最大主压应力出现在拱肋与拱座连接处，在设计时应着重考虑该情况[3]。本文希望通过此文以了解此类型结构的受力和承载能力的特点，以期对类似工程提供参考。

1 拱肋拱脚几何计算模型

主桥为计算跨径L=115m的下承式钢管混凝土系杆拱桥，拱肋采用哑铃型钢管混凝土结构，吊杆采用钢绞线整束挤压成品索，系梁、端横梁及中横梁采用预应力混凝土结构，风撑采用空钢管结构，汽车荷载等级为公路—Ⅰ级，钢材采用Q345D钢。采用有限元软件建立全桥模型后，提取其拱脚拱肋位置处的内力，建立有限元模型。

根据设计图纸进行建模，有限元模型包括：拱脚伸出2.0m长的哑铃型拱肋，拱脚实体部分，一半长度5.95m的端横梁，拱座系梁取距离支座中心线6m区段。通过全桥杆系模型计算，按拱脚最不利荷载组合得到拱肋截面内力，如图1所示，分别在拱肋和纵梁选取断面加载，拱脚底施加支反力，端横梁固结约束[4]。

图1 几何尺寸及计算荷载

其中，在拱脚底施加23680kN的支反力，拱肋施加30113kN的轴力，58kN的剪力，3834kN·m的弯矩，在纵梁截断界面处施加19522kN的轴力，128kN的剪力，2021kN·m的弯矩。

2 有限元模型

钢管混凝土拱桥拱肋拱脚位置处的节点在拱桥整体结构受力范围内是一个关键部位，钢管混凝土的结合结构穿过拱座的混凝土，在其接触位置的处理都是极为关键的，其次在成桥后，该处存在着拱肋、纵梁等诸多构件，在较大的负弯矩作用下，该处的受力情况是较为关键的[5]。因此根据结构具体尺寸，采用大型通用有限元程序建立计算模型，为避免拱肋边界条件对研究区域的影响，主拱肋截取长度均为直径的2倍以上，如图2所示。

图2 有限元计算模型

在系杆预应力锚固处、端横梁预应力锚固处，按照实际预应力作用于锚垫板施加面荷载，在拱肋、纵梁加载面质心位置建立节点，与加载面上其他各点形成刚臂单元，最后在加载面上施加轴力、剪力、弯矩等节点荷载。同时在拱座底部施加固反力Y向反力，端横梁端部施加固结约束[6]。

3 结构分析

3.1 应力分析

3.1.1 拱座位置处应力分析

首先进行拱脚位置处拱座的受力进行分析，模型中的最大主压应力如图3。

图3 拱座混凝土最大主压应力云图

从图中可以看出，在哑铃型拱肋嵌入拱座位置处的极个别点的最大主压应力能达到30MPa，这是因为在该处属于拱肋与拱座的连接，在拱肋上的荷载传递到连接处，造成该处的局部应力会增大，其次就是在拱座与拱肋连接的转弯处，最大主压应力有13MPa，这是因为拱肋上传递下来的荷载整体是由该部承担了大部分荷载，造成该处的应力增大，但均满足混凝土抗压强度的要求；最大主拉应力出现在拱肋、拱脚和系梁交接处，这是由于该处的受力是较为复杂的，有支座的支反力、横梁传递过来的轴力、拱肋传递来的弯矩和轴力以及纵梁对其的传递效果，其最大主拉应力为1.51MPa，小于混凝土抗拉应力2.65MPa，满足要求。设计人员在对此处进行设计时，应对横梁、纵梁和拱肋连接位置处的应力进行适当的优化。

3.1.2 钢管内混凝土应力分析

其次进行钢管内混凝土的受力进行分析，模型中的最大主压应力如图4所示。

从图4可以看出，钢管内混凝土的主压应力大体上是从里到外均匀层进的，这是因为混凝土的泊松比大于钢管的泊松比，在轴心压力作用下，混凝土的形变大于钢管的形变，钢管对混凝土形成了一个套箍作用，其最大主压应力出现在拱肋与拱座连接处，为24.31MPa，其余部分混凝土抗压应力小于32.4MPa，均小于C50混凝土的抗压强度，满足承载要求；钢管内混凝土的主拉应力除端横梁、拱脚和系梁交接处出现少量应力集中外，其余均小于混凝土抗拉应力2.65MPa，满足承载要求。

图4 钢管内混凝土最大主压应力云图

3.1.3 钢管应力分析

随后进行钢管的应力分析，将其Mises应力云图提取如图5。

从图5可以可以看出最大等效应力出现在拱肋端管中部，即除钢管嵌入拱座混凝土内部的根部，这是因为嵌入拱座混凝土内部的钢管与内外混凝土已形成整体，其受力反作用于此处，加上上部拱肋传递过来的荷载，因此此处的应力最大，达到了110.5MPa，但小于钢管屈服应力345MPa；此外拱肋位置处的钢管内外侧的应力大小不同，这是钢管内侧起着约束内部混凝土的作用，其反作用下的应力要比外侧大，且钢管的壁厚对拱脚处应力的产生会有着较大的影响，因此设计时，在可以保证拱肋强度和稳定性的基础上，合理优化钢管的壁厚，可以达到防治拱脚应力集中的现象。

图5 钢管Mises应力云图

3.2 刚度分析

最后对其在受力情况下整体的变形进行分析，将其变形结果图形提取如图6。

从图6可以看出，最大轴力工况下，整个拱座沿横桥向向桥面内变形，最大变形出现在系梁外侧边缘，为4.784mm，最小变形在端横梁外侧边缘，为0.45mm。可以看出，该处结构的整体刚度比较大，固结区域的整体变形较小。能够满足规范要求。

图6 整体变形图（单位：mm）

4 结论

本文以某钢管混凝土拱桥为例，截取其拱肋拱脚位置处的几何形状进行有限元分析，对其整体结构变形、拱脚混凝土受力情况、钢管内混凝土受力情况以及钢管的整理受力情况进行分析，分析结果如下：

①结构变形：拱脚的结构刚度比较大，在拱脚最大轴力工况下，整个拱座沿横桥向向桥面内变形，最大变形出现在系梁靠近桥面边缘，为4.784mm。

②结构应力：除极个别点外，最大主压应力为30MPa，满足要求；最大主拉应力出现在拱肋、拱脚和系梁交接处，为1.51MPa，小于混凝土抗拉应力2.65MPa，满足要求。最大主压应力出现在拱肋与拱座连接处，为24.31MPa；除端横梁、拱脚和系梁交接处出现少量应力集中外，主拉应力大于混凝土抗拉应力2.65MPa，满足要求。最大等效应力出现在拱肋端管中部，为110.5MPa，小于钢管屈服应力345MPa，满足要求。

因此，设计人员在进行设计时，应着重对横梁、纵梁和拱肋连接位置处的应力以及钢管的壁厚进行考虑。本文可为相关工程提供参考。