1×230m组合主梁拱桥拱脚计算

卢松波1,2

（1.同济大学 上海市 200092；2.上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 上海市 200092）。

摘要：深汕大桥项目采用1×230m网状吊杆组合主梁，主梁采用钢混组合结构，主拱采用钢箱结构，拱梁在拱脚固结。拱脚受力复杂，一般均采用有限元进行分析，本论文通过建立整体模型，并对拱脚处网格进行细化，确保边界条件正确，对拱脚受力进行分析，通过分析恒载及活载工况，对比整体模型应力结果，可得出改结构的拱脚受力合理，传力顺利，可为其他项目提供设计经验。

关键词：拱脚受力分析；有限元计算；结构设计

1工程概述

深汕大桥采用结构新颖、造型美观，极具标志性和现代感的网状吊杆拱桥方案，采用整幅设计，主拱设置在中间，两侧设置车行道和人行道。桥梁主跨230m，计算跨径227m，主拱矢跨比为1/5.5，矢高41.273m，两侧主拱内倾9度，采用六边形钢箱断面。主拱横肋间横联采用艺术造型的X型撑；主梁采用钢结构纵横梁体系和混凝土桥面板组合结构，吊杆间距顺桥向为7m；下部结构采用六边形实心墩和群桩基础。主桥立面图和横断面图如下图所示：

主桥立面图

2拱脚模型概述

本模型主要采用 Ansys 17.0有限元计算软件，主要模拟拱梁结合段的受力情况，验算主要板件应力是否满足规范要求。

（1）单元

本模型模型共建立半幅桥梁模型，其中主梁和主拱拱脚部分采用板单元，主拱其余部分和横撑采用梁单元，吊杆采用link单元，模型节点共540186单元。

（2）荷载

主要计算恒载作用及活载作用下拱梁结合段受力情况，其中活载通过整体Midas模型追踪最不利情况，并转化为静力荷载输入。

（3）边界条件

支座按照实际情况，模拟简支情况，中间采用对称约束，从而模拟实际边界条件，计算模型如下图所示：

ANSYS有限元计算模型

3计算结果

3.1恒载作用计算结果

（1）主拱板件计算结果

    

主拱顶板Mises应力图（Mpa）     主拱外腹板Mises应力图（Mpa）

  

主拱中腹板底板Mises应力图（Mpa）    主拱底板Mises应力图（Mpa）

根据计算结果可知，恒载作用下，主拱在拱脚范围内顶板应力为82Mpa，外腹板应力为74Mpa，中腹板应力为86Mpa，底板应力为104Mpa。均小于整体midas模型中恒载作用下应力计算的164Mpa(midas模型偏安全的未考虑拱肋中腹板)。

（2）主梁板件计算结果

           

主梁H2隔板Mises应力图（Mpa）     主梁H3隔板Mises应力图（Mpa）

根据计算结果可知，恒载作用下，主梁在拱脚范围内外腹板应力为117Mpa，中腹板应力为149Mpa，隔板最大应力为127Mpa，均小于或接近整体Midas模型应力146Mpa。

3.2活载作用计算结果

（1）主拱板件计算结果

主拱顶板Mises应力图（Mpa）     主拱外腹板Mises应力图（Mpa）

            

主拱中腹板底板Mises应力图（Mpa）     主拱底板Mises应力图（Mpa）

根据计算结果可知，活载作用下，主拱在拱脚范围内顶板应力为4.9Mpa，外腹板应力为6.9Mpa，中腹板应力为7.6Mpa，底板应力为8.5Mpa。均小于整体midas模型中下应力计算的25.8Mpa(midas模型偏安全的未考虑拱肋中腹板)。

（2）主梁板件计算结果

   

主梁H2隔板Mises应力图（Mpa）   主梁H3隔板Mises应力图（Mpa）

根据计算结果可知，活载作用下主梁外腹板应力为19.9Mpa，中腹板应力为13.6Mpa，隔板最大应力为16.1Mpa，均小于Midas模型应力25.8Mpa。

3.3计算结果分析

根据上述计算结果可知，在恒载和活载作用下，拱梁结合段主要板件应力水平均低于或接近整体Midas模型计算下的应力，因此可推断拱梁结合段整体应力水平满足规范要求。

4计算结果

通过建立整体模型以及局部细化模型，充分验证了本桥的拱梁结合段是安全可靠的，上部结构的内力可以很好的传递至支座处，且内部板件应力水平有一定的富裕，不过局部会有少许应力集中情况，因此在构件设计中应尽量避免截面突变情况，尽量以圆弧过渡等方式，使其传力均匀，提高板件的耐久性。

参考文献：

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