四川藏区高速公路有限责任公司 四川 610015
摘要：随着社会的发展，我国的桥梁建设发展迅速，桥梁的施工技术也越来越先进。尤其是预应力技术的发展，越来越多新的组合体系桥梁在实际工程中得到了应用。本文针对广雅大桥进行了分析，全桥各杆件间的连接均为刚性连接，特别是钢箱混凝土拱脚与混凝土拱座刚结点连接处杆件众多、受力复杂，整体分析中很难考虑拱脚刚结点的构造细节，因此有必要在全桥整体分析的基础上对拱脚刚结点进行局部应力研究，探索局部区域各构件的应力分布规律，对该区域的细部设计进行优化和改进。
关键词：刚架系杆拱桥；拱脚；刚结点；局部应力；应力分布
1 梁拱组合体系桥
梁拱组合体系桥，顾名思义，就是梁和拱的组合。拱的优点是结构刚度大、承载潜力大、材料利用率高；梁的优点是可作为行车道板承担公路活载。通过二者的共同协作既可以充分利用拱的承压能力和梁的抗弯能力，又可以达到内力分配合理、材料应用充分的目的。梁拱组合体系桥中拱通过与梁的组合形成了新的结构体系，使拱与梁在受力方面的优点得以充分发挥，呈现出优良、稳定的经济指标与美观的外型，并且因其结构轻巧、外部无水平推力故较适用于软土地基。同时梁拱组合体系桥的发展也得益于我国预应力技术与工艺的更新，从而保证了这种体系及相应施工方法的可行性。
2 钢箱混凝土拱脚刚结点应力分析
2.1概述
广雅大桥主桥为63+210+210+63m海鸥式双孔中承式钢箱系杆拱桥，主桥总体布置见图3-1。
钢箱混凝土拱脚刚结点作为本桥设计中的一个重要关键部位，在施工阶段和成桥阶段都承受着巨大的内力。因此有必要建立精确的局部有限元模型对拱脚刚结点进行局部应力分析，了解拱脚刚结点处空间局部应力的分布规律和大小，以指导和优化设计，使得拱脚刚结点的设计安全可靠。
2.2钢箱混凝土拱脚构造特点
广雅大桥拱肋为钢箱结构，采用Q345c型钢材，钢箱内沿纵向均匀地布置加强横隔板，钢箱顶板、底板、腹板上均有纵向加劲肋，钢箱顶底板与腹板采用坡口焊焊接，纵向加劲肋、横隔板与钢箱采用贴脚焊焊接。钢箱拱肋拱脚为混凝土填充段，加劲肋均采用开孔钢板，形成PBL剪力键与箱内混凝土连接。为加强拱脚混凝土抗裂性能，保证拱脚混凝土处于理想受压状态，在拱脚混凝土中布置了高强度低松弛的预应力钢束，预应力钢束管道采用φ50mm钢管，钢束穿过拱脚承压钢板埋设在混凝土拱座中，预应力钢束在混凝土拱座中保证足够埋设长度，以确保预应力能够充分使拱脚与混凝土拱座紧密连接。拱脚承压板和预应力锚下承压板采用加厚钢板，拱脚与承压钢板上焊接剪力钉加强连接。钢箱混凝土拱脚具体构造见图3-2和图3-3。
3.3计算方法及有限元模型
3.3.1计算假定
本文采用有限元两步分析法，首先根据全桥空间有限元仿真分析结果得到拱脚最大负弯矩下局部模型边界处的内力值；然后将整体模型中的边界内力作为外荷载，并考虑边界处的变形协调条件，计算分析局部模型的应力分布机制。
3.3.2有限元模型
（1）采用弹性板壳单元SHELL63准确模拟了钢箱拱肋面板、纵向加劲肋、横隔板、预应力钢束钢管加劲肋、预应力锚下承压板、拱脚承压钢板。
（2）采用三维实体单元SOLID65模拟了拱脚钢箱内混凝土。
（3）采用三维线性杆单元LINK8模拟了钢箱混凝土中的预应力钢束。
（4）采用三维非线性只受压杆单元LINK10模拟了拱脚承压钢板法向的单向约束。
4钢箱混凝土拱脚刚结点应力优化研究
4.1概述
通过对拱脚刚结点进行空间局部应力分析，了解了拱脚刚结点各构件的空间应力分布规律和应力峰值，掌握了拱脚刚结点模型中受力较大的薄弱区域的应力分布情况，因此本章拟针对拱脚刚结点局部构造设计进行优化和改进，从而使拱脚刚结点各杆件的受力性能更趋于合理，进一步保证结构的安全性和可靠性。
4.2拱脚刚结点应力优化原则
4.2.1拱脚刚结点各构件的应力分布规律比较合理，应力分布比较均匀，没有较大的应力突变；除局部应力集中区域外，应力峰值应满足较大的安全储备要求；充分发挥不同材料的受力特性，使各构件的受力性能尽可能达到实际要求的理想状态。
4.2.2尽管横隔板对拱脚刚结点的受力性能影响不大，但对改善拱肋的整体受力、提高拱肋的稳定性起到较大的作用，因此拟针对横隔板的受力对横隔板进行优化，使横隔板最大限度地发挥其空间加强作用。
4.2.3由于拱脚钢箱内混凝土对改善拱脚各杆件的受力性能，提高拱脚的局部承压能力起到举足轻重的作用，因此拟针对混凝土的受力进行优化，以充分发挥混凝土的抗压性能。
4.2.4由于承压钢板与混凝土拱座紧密相连，穿过其间的剪力钉和预应力钢束起到使钢箱混凝土拱脚与混凝土拱座紧密挤压的作用，因此承压钢板的受力也较为重要，因此拟针对承压钢板的受力进行优化，以充分发挥承压钢板的传递连接作用。
4.3拱脚刚结点应力优化措施
4.3.1优化措施
（1）拟在横隔板开孔处沿孔边缘设置厚10mm，宽200mm的环向加劲肋以优化横隔板的受力性能。
（2）拟在拱脚混凝土段钢箱内距承压钢板1m处布置一块厚度为20mm的横隔板，从而起到减小混凝土主应力，改善混凝土受力性能的作用。
（3）拟在承压钢板上布置楔形加劲肋，并让楔形加劲肋与拱肋面板焊接相连，以便于力的传递，从而起到改善承压钢板受力的作用。
（4）拟在承压钢板四周布置高强度精轧螺纹钢，螺纹钢埋入混凝土拱座足够长度，以加强承压钢板与拱座连接。
（5）尽管仍然没有模拟预应力钢束锚固区，但为减小有限元模型中锚固区的应力集中程度，对预应力钢束和锚固区混凝土采用多点位移协调处理以优化有限元模型。
4.3.2结论
（1）横隔板环向加劲肋、承压钢板楔形加劲肋等局部构造加强措施对拱肋面板和纵向加劲肋的应力分布特性和应力峰值基本没有什么影响；拱肋面板和纵向加劲肋的受力特性主要受其自身材料和钢板厚度的影响。
（2）钢箱拱肋横隔板在增设了环向加劲肋后的应力分布规律发生了较大的改变，等效应力最大位置已由优化前较薄弱的横隔板开孔边缘改变为优化后较牢固的的横隔板与拱底连接处，最大等效应力也从86.1MPa减小到了66.6MPa，远远满足规范要求，可见横隔板环向加劲肋对横隔板的整体受力起到了较大的改善作用。
（3）增设了楔形加劲肋的拱脚承压钢板等效应力分布规律发生了一定改变，在楔形加劲肋处应力梯度较大，等效应力减小，最大mises等效应力由优化前的122MPa减为优化后的99.7MPa。
（4）除去应力集中点外，混凝土与钢板接触面处主压应力最大值由优化前的21.5MPa减为优化后的8.2MPa，满足规范要求；锚固区接触面的主拉应力最大值也减为1.0MPa，满足规范要求。
结语
刚架系杆拱桥拱脚刚结点因其受力的复杂性、构造的复杂性及几何形状的不规则，使得从理论上求解刚结点内的空间局部应力分布规律显得非常困难。鉴于目前对拱脚刚结点的局部应力分析一般采用有限元分析和模型试验相结合的办法，找到结点内的应力分布状况，再据此偏安全地采取加强构造措施。本文通过建立局部空间有限元模型对拱脚刚结点进行了局部应力分布机制的研究，并根据计算结果对细部设计进行了优化和改进。
参考文献
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[3]叶梅新，王锋，屈志锋.大跨度劲性骨架钢筋混凝土拱桥拱脚、拱座局部应力分析.中国西部科技.2008（1）.
论文作者:唐康
论文发表刊物:《防护工程》2017年第24期
论文发表时间:2018/1/15
标签：应力论文; 结点论文; 混凝土论文; 横隔论文; 钢板论文; 预应力论文; 局部论文; 《防护工程》2017年第24期论文;