下承式鋼混組合梁系桿拱橋錨固結(jié)構(gòu)受力分析

孔令熙

（上海浦東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海市 201204）

0 引言

系桿拱橋主要是由拱肋、系梁（系桿）、吊桿、橫梁及橋面系組成。系桿拱的系梁與拱肋在拱腳節(jié)點(diǎn)處剛接，支承于墩臺(tái)上。其中，拱肋是系桿拱橋的主要承重構(gòu)件，以受壓為主。吊桿是系桿拱橋的重要傳力構(gòu)件，主要承受拉力。體系中設(shè)置系梁來(lái)平衡拱腳處對(duì)地基產(chǎn)生的水平推力，因此具有跨越能力大、梁高較低、外型美觀等優(yōu)點(diǎn)。

節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)體系的重要組成部分，需在設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮其細(xì)部結(jié)構(gòu)，它的強(qiáng)度和剛度直接影響全橋受力情況，所以節(jié)點(diǎn)對(duì)于保證結(jié)構(gòu)的整體性也有著舉足輕重的作用。系桿拱橋作為空間結(jié)構(gòu)體系，采用常規(guī)的計(jì)算方法建立梁、桿結(jié)構(gòu)模型，求得整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、應(yīng)力、變形等，這種以桿系理論為基礎(chǔ)的方法在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析時(shí)是合適的。但在局部節(jié)點(diǎn)處，常常設(shè)有橫隔板、加勁肋等板件，導(dǎo)致局部構(gòu)造較為復(fù)雜，而在整體分析中很難考慮到構(gòu)造的細(xì)節(jié)之處，計(jì)算結(jié)構(gòu)并不能精確分析節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力情況。因此需在整體分析計(jì)算的結(jié)果基礎(chǔ)上，選擇具有代表性的節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行局部空間有限元分析，研究節(jié)點(diǎn)的受力情況。

系桿拱橋受力較為明確，對(duì)于節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，需有足夠的強(qiáng)度和剛度。吊桿與系梁的錨固是系桿拱橋傳力的關(guān)鍵部位之一，有必要對(duì)其進(jìn)行局部分析從而為細(xì)部構(gòu)造的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 工程背景

申江南路大治河橋主橋采用簡(jiǎn)支下承式鋼箱系桿拱組合體系拱橋，計(jì)算跨徑116 m，拱肋采用全焊鋼箱構(gòu)造，拱軸線為二次拋物線，主拱矢跨比為1/5，拱肋高23 m，平行拱肋橫橋向間距為26.2 m，吊桿順橋向間距為6 m。

其中，系梁、中橫梁、懸臂板、端橫梁均采用鋼混組合結(jié)構(gòu)。系梁與拱肋均為矩形閉口斷面。系梁在吊桿位置處設(shè)置加強(qiáng)型實(shí)腹式橫隔板，吊桿間每隔3 m設(shè)置普通實(shí)腹式橫隔板。拱肋系桿采用?s15.2-31環(huán)氧涂層鋼絞線，每個(gè)系梁內(nèi)設(shè)4根，以平衡拱肋的水平推力。吊桿采用PES（FD）平行鋼絲PE雙護(hù)層拉索。吊桿一般位置設(shè)置規(guī)格為?7-91的成品索，靠近拱腳的兩根短吊桿采用?7-109的成品索，吊桿外包雙層HDPE保護(hù)層，抗拉強(qiáng)度1 670 MPa，上端錨固在拱肋內(nèi)，下端錨固在系梁內(nèi)，錨具采用冷鑄錨，拱肋內(nèi)張拉，每片拱肋設(shè)置17根吊桿。

大治河為通航河道，根據(jù)航道部門要求，通航凈寬79 m范圍內(nèi)必須滿足通航凈高7.0 m的要求。由于是在現(xiàn)狀通航水域上建橋，為保證施工過(guò)程安全可靠，保證鋼梁的施工焊接質(zhì)量，因此采用水中設(shè)臨時(shí)墩、先梁后拱的施工方法。

2 吊桿與系梁的錨固結(jié)構(gòu)

吊桿與系梁之間的錨固連接是系桿拱橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題之一，由于吊桿張拉后，系梁錨固區(qū)局部應(yīng)力較大、應(yīng)力傳遞復(fù)雜，需將吊桿傳遞的索力擴(kuò)散到系梁截面上去。其傳力途徑為吊桿→錨墊板→承壓板→系梁隔板→隔板加勁板→系梁頂、底、腹板。該橋吊桿與系梁錨固結(jié)構(gòu)布置如圖1～圖3所示。

圖1 吊桿與系梁錨固區(qū)橫斷面（單位：mm）

圖2 吊桿與系梁錨固區(qū)平面（單位：mm）

圖3 吊桿與系梁錨固區(qū)剖面（單位：mm）

其中的主要板件如下：D1a與D1b為承壓板上隔板，板件厚25 mm；D2為承壓板下隔板，板件厚25 mm；D3、D6為下隔板加勁，板厚20 mm；D4為承壓板，板厚25 mm；D5a與 D5b、D7a與D7b為上隔板加勁，板厚20 mm；D8為矩形錨墊板，板厚50 mm；M1為錨管，與系梁頂板、系梁上隔板、承壓板焊接，板厚28 mm；M2為錨管加勁，設(shè)置4道錨管加勁，板厚20 mm。

由于系梁結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，錨固區(qū)板件既有局部受壓也有局部受拉還有拉壓共同作用的情況，結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，呈三向狀態(tài)，應(yīng)力集中嚴(yán)重。因此有必要對(duì)吊桿與系梁錨固區(qū)在不利工況下的應(yīng)力分布、應(yīng)力大小等局部應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析。

3 局部模型與計(jì)算結(jié)果

先采用midas建立整體模型，根據(jù)橋梁的整體計(jì)算結(jié)果，選取吊桿與系梁錨固區(qū)受力最不利的階段及位置，即靠近梁拱結(jié)合段處拱腳第一根吊桿處，對(duì)其進(jìn)行局部分析。為準(zhǔn)確分析系梁局部的受力狀態(tài)，根據(jù)圣維南原理，考慮邊界效應(yīng)使得局部模型的計(jì)算結(jié)果并不受到選取區(qū)域范圍太小而影響，故選取系梁節(jié)段6 m長(zhǎng)作為研究對(duì)象，即吊桿兩側(cè)各3 m設(shè)置普通實(shí)腹式橫隔板之間距離。采用板單元建立系梁頂板、底板、腹板、橫隔板、加勁肋，并在劃分網(wǎng)格時(shí)，將關(guān)心區(qū)域的網(wǎng)格尺寸劃分得更細(xì)些，如圖4、圖5所示。

圖4 局部模型

圖5 局部模型不含系梁頂、底、腹板

系梁局部模型所受荷載包括結(jié)構(gòu)自重、橋面板荷載以及吊桿張拉力。而邊界條件可根據(jù)全橋分析結(jié)果得到，然后按靜力等效原則施加于系梁的各邊界處；結(jié)構(gòu)自重和橋面板荷載則根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行施加。

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，錨固區(qū)各板件的應(yīng)力水平不高，與規(guī)范容許應(yīng)力值相比有一定的安全儲(chǔ)備，如圖6、圖7所示。

圖6 錨固區(qū)板件應(yīng)力結(jié)果（單位：MPa）

圖7 錨固區(qū)應(yīng)力結(jié)果（單位：MPa）

其中，最大應(yīng)力為95.5 MPa，出現(xiàn)在錨墊板D8中心位置，如圖8所示。而隔板D1與承壓板D4處局部應(yīng)力較大，但亦滿足，且區(qū)域小，應(yīng)力擴(kuò)散快。

圖8 錨墊板應(yīng)力結(jié)果（單位：MPa）

系梁頂?shù)装逭w應(yīng)力水平很低，有效應(yīng)力值主要在40 MPa以下，如圖9所示。

圖9 系梁頂、底板應(yīng)力結(jié)果（單位：MPa）

腹板應(yīng)力分布均勻，應(yīng)力水平相當(dāng)、分布相似。腹板大部分區(qū)域有效應(yīng)力值在30 MPa以下，應(yīng)力水平較低。最大有效應(yīng)力出現(xiàn)在腹板與底板連接處，應(yīng)力值為37.4 MPa，如圖10所示。

圖10 系梁腹板應(yīng)力結(jié)果（單位：MPa）

通過(guò)建立系梁的局部有限元模型，可得各板件的應(yīng)力水平不高。對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，通常采用板單元即可求得板件的受力情況。但如果只建立獨(dú)立模型分析錨固區(qū)的受力情況，則對(duì)局部模型施加精確的邊界條件變得非常關(guān)鍵，如果施加不當(dāng)則可能對(duì)計(jì)算結(jié)果造成影響甚至錯(cuò)誤。

4 混合有限元模型

為了進(jìn)一步探究計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確與否，考慮采用整體模型與局部模型混合的形式。建立全橋模型后，對(duì)關(guān)心部位的吊桿與系梁錨固區(qū)采用板單元插入其中，在板單元和梁?jiǎn)卧唤缑嫔习雌浇孛婕俣ń⒓s束方程，即把吊桿與系梁錨固區(qū)建立在同一個(gè)混合有限元模型中。那么在模型中施加荷載、邊界則變得較為簡(jiǎn)便，而活載情況則追蹤吊桿受力最大的工況下的移動(dòng)影響線來(lái)布載?；旌嫌邢拊Ｐ腿鐖D11所示。

圖11混合有限元模型

經(jīng)計(jì)算，吊桿與系梁錨固區(qū)板件應(yīng)力結(jié)果與局部模型較為接近，如圖12、圖13所示。

圖12 混合有限元模型計(jì)算結(jié)果（單位：MPa）

圖13 混合有限元模型板件計(jì)算結(jié)果（單位：MPa）

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)吊桿與系梁錨固區(qū)局部模型以及混合有限元模型的計(jì)算分析，得到了錨固區(qū)板件的應(yīng)力分布情況，計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

申江南路大治河橋主橋系梁錨固區(qū)細(xì)部構(gòu)造工廠加工實(shí)景圖如圖14、圖15所示。

圖14 系梁錨固區(qū)構(gòu)造（未焊接系梁頂板）

圖15 系梁錨固區(qū)構(gòu)造（已焊接系梁頂板）

6 結(jié) 語(yǔ)

國(guó)內(nèi)關(guān)于節(jié)點(diǎn)受力性能的研究資料較少，公開發(fā)表的文獻(xiàn)資料也不多，針對(duì)大跨度橋梁的研究資料更少。本文僅對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了靜力分析，在今后還需對(duì)以下問(wèn)題做進(jìn)一步探究：

（1）焊接殘余應(yīng)力及焊接工藝質(zhì)量對(duì)節(jié)點(diǎn)受力性能的影響。

（2）節(jié)點(diǎn)在動(dòng)力荷載作用下的鋼結(jié)構(gòu)疲勞分析。