大跨徑鋼桁梁斜拉橋節(jié)點(diǎn)受力分析

杜春林，史建朋（重慶市市政設(shè)計(jì)研究院，重慶 400020）

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大跨徑鋼桁梁斜拉橋節(jié)點(diǎn)受力分析

杜春林，史建朋
（重慶市市政設(shè)計(jì)研究院，重慶 400020）

摘要：為研究白居寺長(zhǎng)江大橋——鋼桁梁斜拉橋關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的受力行為，該文用有限元方法對(duì)其受力行為進(jìn)行分析。采用有限元軟件建立節(jié)點(diǎn)局部模型，從整體計(jì)算分析結(jié)果中提取節(jié)點(diǎn)區(qū)域在最不利荷載作用下的內(nèi)力，將其施加在節(jié)點(diǎn)局部模型中進(jìn)行分析。結(jié)果表明：設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中區(qū)域很小，其他區(qū)域應(yīng)力均小于210MPa。

關(guān)鍵詞：鋼桁梁；斜拉橋；節(jié)點(diǎn)受力分析；有限元分析

0　引言

白居寺長(zhǎng)江大橋系主跨為660m的公軌兩用雙塔雙索面鋼桁梁斜拉橋，橋型布置如圖1所示。橫斷面采用軌道交通和道路交通上下分層形式布置，上層橋面按照雙向8車道，兩側(cè)設(shè)置人行檢修道設(shè)計(jì)，總寬度38m，下層橋面中央設(shè)置雙線軌道，總寬19.2m（下弦桿外輪廓間寬度），如圖2所示。橋塔采用水滴形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，塔柱為八邊形空心薄壁截面，外輪廓尺寸5.5～10.8m（縱橋向），5.8～13.4m（橫橋向）。斜拉索采用Φ7.0 mm鍍鋅高強(qiáng)度低松弛平行鋼絲，抗拉強(qiáng)度不小于1770MPa。

鋼桁梁主桁采用三角形桁架形式，主桁中心距為18m（等間距布置），桁高12.606m，節(jié)間長(zhǎng)度15m。上下層橋面板均采用正交異性鋼橋面板，由橋面板縱肋、橫梁及橋面板組成。橋面板和主桁弦桿頂板焊接在一起組成板桁組合結(jié)構(gòu)。整個(gè)鋼桁梁由上弦桿、下弦桿、腹桿、邊縱梁、斜桿及橋面系組成，通過高強(qiáng)螺栓及節(jié)點(diǎn)板連接為整體。橫斷面如圖1所示，為倒梯形斷面。

圖1　橋型布置圖

其“連接節(jié)點(diǎn)”構(gòu)造復(fù)雜是鋼銜梁的關(guān)鍵構(gòu)造。為保證橋梁結(jié)構(gòu)安全、指導(dǎo)設(shè)計(jì)，對(duì)鋼銜梁連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的受力分析是非常必要的。而在整體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析中，很難考慮構(gòu)造細(xì)節(jié)，計(jì)算結(jié)果不足以反應(yīng)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布。因此，需要在整體計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，選擇受力較大且具有代表性的主桁節(jié)點(diǎn)，對(duì)其網(wǎng)格細(xì)化后進(jìn)行局部應(yīng)力分析，研究其應(yīng)力分布［1-2］。

本文采用有限元數(shù)值法對(duì)白居寺長(zhǎng)江大橋關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的受力行為進(jìn)行分析。

1　節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

節(jié)點(diǎn)位置見圖2，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造圖見圖3。

圖2　橫斷面及節(jié)點(diǎn)位置示意圖（cm）

圖3　節(jié)點(diǎn)1、3立面圖（mm）

節(jié)點(diǎn)1位于上弦桿與兩根斜腹桿及上層橫梁的交點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)2位于邊縱梁與一根斜桿及上層橫梁的交點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)3位于下弦桿與兩根斜腹桿、一根斜桿及下層橫梁的交點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)3有兩類節(jié)點(diǎn)板：一類為連接下弦桿與斜腹桿的節(jié)點(diǎn)板（連腹桿）、一類為連接下弦桿與斜撐的節(jié)點(diǎn)板（連斜撐）。

上弦桿、下弦桿分別與相連的節(jié)點(diǎn)板焊為一體。腹桿與上、下弦整體節(jié)點(diǎn)板及節(jié)點(diǎn)內(nèi)的隔板四面對(duì)拼連接。斜桿與邊縱梁和下弦桿伸出的節(jié)點(diǎn)板均采用高強(qiáng)度螺栓拼接。

桿件斷面形式：上弦桿、下弦桿、腹桿和邊縱梁均為閉口箱形截面，斜桿為“工”型截面，上、下層橫梁為倒T形截面。

表1　局部模型荷載表（kN，m）

2　節(jié)點(diǎn)分析

根據(jù)整體計(jì)算分析結(jié)果選擇受力較大且具有代表性的主桁節(jié)點(diǎn)，采用通用的有限元軟件建立節(jié)點(diǎn)局部模型進(jìn)行分析。

全橋整體計(jì)算模型采用空間有限元分析程序進(jìn)行模擬。對(duì)于弦桿、腹桿、斜桿、橫梁、縱梁和橋塔等采用三維梁?jiǎn)卧M，斜拉索采用桁架單元模擬，上下層橋面板采用板單元模擬。通過設(shè)置剛性桿件模擬橋塔與斜拉索之間的連接。各個(gè)構(gòu)件截面特性按照結(jié)構(gòu)實(shí)際尺寸進(jìn)行取值。整體模型如圖4所示。

圖4　整體模型示意圖

參照整體計(jì)算分析結(jié)果［3］，選擇靠近主塔根部的節(jié)段為對(duì)象，分析節(jié)點(diǎn)受力性能。該節(jié)段節(jié)點(diǎn)不僅設(shè)計(jì)具有代表性，而且受力不利，其計(jì)算結(jié)果可以反映其他節(jié)點(diǎn)的受力性能。整體計(jì)算主梁桿件應(yīng)力如圖5所示。

圖5　1/2跨主梁桿件應(yīng)力示意圖（MPa）

2.1局部模型

采用大型通用有限元軟件對(duì)節(jié)段進(jìn)行分析，對(duì)節(jié)點(diǎn)中的鋼橋面板和各個(gè)桿件的板件均采用板殼單元模擬。以縱橋向中心線為對(duì)稱軸建立1/2模型，在中心線位置施加正對(duì)稱約束，約束一端頭上下弦桿及橋面板的平動(dòng)自由度，另一端施加荷載——從整體計(jì)算分析模型中提取的截面彎矩、軸力和剪力。荷載如表1所示。

為了降低局部模型邊界對(duì)分析精度的影響，滿足圣維南力學(xué)原理［4-5］，計(jì)算模型沿橋跨縱向按三個(gè)節(jié)段長(zhǎng)度建模，橫橋向取半幅橋面。整個(gè)有限元模型擁有單元389295個(gè)，節(jié)點(diǎn)379747個(gè)。節(jié)段三維有限元模型如圖6所示。

圖6　節(jié)段模型

2.2材料參數(shù)

各板件全部選用Q370鋼材，容重γ=78.5kN/m；彈性模量E =2.1×106MPa。表2為各桿件的板厚。

表2　節(jié)點(diǎn)區(qū)域主要桿件材料表

為避免邊界條件帶來影響，截取中間段模型提取結(jié)果。節(jié)點(diǎn)局部分析模型Von Mises應(yīng)力云圖如圖7-圖9所示。

圖7　節(jié)點(diǎn)1 Von Mises應(yīng)力圖（MPa）

圖8　節(jié)點(diǎn)2 Von Mises應(yīng)力圖（MPa）

圖9　節(jié)點(diǎn)3 Von Mises應(yīng)力圖（MPa）

由云圖可知：節(jié)點(diǎn)1應(yīng)力集中點(diǎn)（應(yīng)力云圖中MX的位置）位于腹桿端部和節(jié)點(diǎn)板交接點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)2應(yīng)力集中點(diǎn)位于節(jié)點(diǎn)板與邊縱梁肋板相交開孔位置；節(jié)點(diǎn)3應(yīng)力集中點(diǎn)位于節(jié)點(diǎn)板與斜桿翼緣端部交接點(diǎn)。從圖中可以看出，各應(yīng)力集中點(diǎn)區(qū)域很小，且應(yīng)力幅衰減迅速，未向周邊區(qū)域傳遞，故不予考慮。

扣除應(yīng)力集中點(diǎn)區(qū)域，其他區(qū)域應(yīng)力分布趨于均勻，應(yīng)力結(jié)果如表3-表5所示。節(jié)點(diǎn)1最大應(yīng)力構(gòu)件為節(jié)點(diǎn)板及腹桿腹板，其最大mises應(yīng)力分別為199MPa、190MPa；節(jié)點(diǎn)2最大應(yīng)力構(gòu)件為邊縱梁頂板及節(jié)點(diǎn)板，其最大mises應(yīng)力分別為202 MPa、198MPa；節(jié)點(diǎn)3最大應(yīng)力構(gòu)件為下弦桿底板及腹桿頂?shù)装?，其最大mises應(yīng)力分別為210 MPa、208MPa。

3　結(jié)語(yǔ)

對(duì)于倒梯形鋼桁梁斜拉橋這樣復(fù)雜的橋梁，有必要在全橋整體計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，考慮節(jié)點(diǎn)的局部構(gòu)造細(xì)節(jié)，對(duì)節(jié)點(diǎn)建立更精細(xì)的有限元模型，從而獲得節(jié)點(diǎn)部位詳細(xì)的應(yīng)力分布。

針對(duì)白居寺長(zhǎng)江大橋關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果表明：在最不利荷載工況下，鋼桁梁各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中區(qū)域很小，且應(yīng)力幅衰減迅速，未向周邊區(qū)域傳遞，設(shè)計(jì)時(shí)可不考慮應(yīng)力集中區(qū)域；其他區(qū)域Mises應(yīng)力趨于均勻，且均小于210 MPa。

表3　節(jié)點(diǎn)1各桿件應(yīng)力表（MPa）

表4　節(jié)點(diǎn)2各桿件應(yīng)力表（MPa）

表5　節(jié)點(diǎn)3各桿件應(yīng)力表（MPa）

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責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

史建朋（1986-），男，河北石家莊人，研究生，工程師，主要從事大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

中圖分類號(hào)：［TU997］，U443

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-9107（2016）07-0043-03

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2016.07.043

收稿日期：2016-06-15

作者簡(jiǎn)介：杜春林（1976-），男，河北唐山人，研究生，高級(jí)工程師，主要從事橋梁及特種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

Joints Stress Analysis of Cable-stayed Bridge of Large-span Steel Truss

Abstract：To study the mechanical behaviors of the key joints of cable-stayed bridge of steel truss girder，named Baijusi Changjiang Bridge，the finite element method is applied.With the finite element software，partial joint model is established.The internal force of the joint region under the worst loading impact is extracted from the whole calculation and analysis results，and is analyzed in the model.The results show that the stress concentration area of the designed joint is small，with the stress in other regions less than 210MPa.

Keywords：steel truss girder；cable-stayed bridge；stress analysis of joints；finite element analysis