大跨鋼系桿拱橋拱腳節(jié)點受力及優(yōu)化分析

黃世平

摘要：文章結合大跨鋼下承式系桿拱橋施工實例，選取336m作為跨徑，對拱腳的局部節(jié)點進行受力分析，并進行了相關計算。通過有限元計算發(fā)現(xiàn)局部受力確實存在一些問題，并采取了一定的優(yōu)化方案進行相關檢驗。結果發(fā)現(xiàn)：拱腳節(jié)點的局部受力是由于構造方式不好導致的，需要對支座和開洞布置進行相關優(yōu)化，同時，鋼板厚度也需要進行改進。通過驗證優(yōu)化，拱橋拱腳的節(jié)點設計有了很大的提升空間，如針對系桿中腹板間距較大、系梁腹板不直等問題，具有一定的參考價值。

關鍵詞：大跨鋼;拱橋拱腳節(jié)點;受力分析;優(yōu)化

0 引言

大跨鋼下承式系桿拱橋主要由系桿、吊桿以及拱肋組成，是一種沒有推力的連接體系，具有很多優(yōu)點：靈活性的基礎變位以及容易進行拼裝等?；谝陨蟽?yōu)點，這種拱腳節(jié)點被采用的頻率越來越高，特別適用于地質環(huán)境比較薄弱和空間受限的情況。本文采用的拱腳節(jié)點作為整個受力傳力部分的關鍵環(huán)節(jié)，同時承受著支座反力和系桿內力以及錨固局部壓力的作用。作為一種三維空間結構，首先考慮以桿系理論作為基礎進行設計，其中，拱腳結構所處位置情況比較復雜，受力也不均勻，必須注重細部結構?？紤]到這種特殊的結構構造和受力狀況，對其進行受載分析后，發(fā)現(xiàn)其應力分布狀況很難通過相關理論進行精確分析，所以，本文通過使用有限元分析軟件ANSYS對其進行局部受力分析，使用三向力對拱腳節(jié)點空間受力進行規(guī)律分析，然后設計出節(jié)點優(yōu)化解決方案，使其更加合理。

1 工程概況

某大橋工程采取336m作為跨徑，橋梁總長為349m，橋寬約45m，系梁主要由橫梁、兩邊箱以及橋面板組成，橋面板是正交異性。雙邊箱尺寸為2.5m×2.93m，中間梁高3.2m，橫梁之間的間距為3m。在橫橋處，由兩片高度為61m的拱肋組成，傾斜角為12°。在兩個拱肋之間分別設有間距為24m的12個橫撐。兩個不同吊索之間的間距為12m，一共有26對。整座橋一共設有8根系桿，每個邊箱4根。具體總布置圖如圖1和圖2所示。

2 拱腳節(jié)點設計

整座大橋拱腳節(jié)點一共有18.95m長，拱肋頂板高7m，厚4.5cm，底板厚5cm，腹板厚3.5cm。處于雙邊箱位置的系梁厚度約為1.5～3cm之間，腹板厚1.6～3cm，底板厚3cm[1]。

為了保證拱腳節(jié)點處能夠比較均勻地傳力，要保證拱肋和系梁邊箱的腹板一致，前者為圓柱形，這種造型會造成網格劃分過密，會直接影響計算的精確程度。所以，在本文中，把拱肋等效為方柱，可以大大簡化計算結果，所有的狀況都按照實際模擬，后者采取12°傾斜角。因為跨徑比較寬，所以相對普通系桿拱橋而言，系梁腹板間距比較大。為了保證豎直力能夠利用腹板傳送到支座，把支座設計在系梁底板中間位置，并設置4.5cm的橫隔板進行支撐。整個內力一般通過以下方式進行傳送：水平力通過焊縫傳送到系桿和系梁，豎直分力首先利用腹板傳送到橫隔板，然后再傳送到支座。一般情況下，會在腹板之間加一個中腹板來保證隔板和支撐板之間的受力平衡均勻。拱腳節(jié)點如圖3和圖4所示。

3 有限元計算分析

因為整座橋需要進行系桿和吊索錨固，需要對橫梁等多個節(jié)點進行細致分析，所以采取子模型法是一個比較合適的方法。首先大體設計一個整座橋的板殼單元模型，其尺寸為1m，然后再進行細化，分別得到不同部分的子模型[2]。其中，在進行計算的過程中，為了減少誤差，需要對一些邊界條件進行整體層面施加。為了準確模擬整個支撐效應，使用零反力方法進行模擬。具體為：在約束中心點，增加豎向的反作用力于底板節(jié)點并不斷調整此力的大小，保證支座中心點約束力為零，此時把支座的受力狀況視為實際受力情況。對于整體結構模擬分為兩種情況：（1）通過重力加速度;（2）通過車道和人群載荷等對橋面施加，可以得到比較均勻的負載方式。

通過計算分析可知，腹板應力逐步匯集于支座隔板，導致兩者連接區(qū)域應力相對來說比較大，與一開始的力傳遞設計理念基本相符合。其中，腹板在梁端一方的力也增大，主要是由于力的傳遞路徑導致產生了豎向剪應力，并接受來自系桿的水平力，使兩者共同作用而導致[3]。

通過分析，針對拱腳節(jié)點主要發(fā)現(xiàn)以下幾個問題：

（1）支座的橫隔板和系梁拱肋的腹板的應力最大可達346MPa左右，可見數(shù)值比較大，與一開始的設計值偏差比較大，并超出鋼材強度數(shù)值。這主要是因為拱肋的內力是利用隔板來到達支座的，整體內力會聚集在支座隔板處。另外，整座橋只在系梁內設置了隔板，而其他地方沒有設置，導致腹板在與隔板和頂板的交叉位置處剛度變化比較大，在很大程度上會導致應力集中，從而超出設計值。

（2）腹板的兩側受力不均勻，其中，外側的大于內側的。這主要是由于腹板在設計的時候具有一定的傾斜角度，而支座處于整個底板的中間，整體內力會通過外面的腹板先傳給隔板，然后再傳給支座，整體內力會利用最短的路徑進行傳送，從而導致腹板整體受力不均勻。

（3）由于隔板是人為進行開口的，很容易導致應力集中的情況。另外，內力首先通過側腹板進行傳送，這樣就很容易增大隔板和外側腹板連接的面積，從而會使隔板應力超出鋼材強度值。

4 拱腳節(jié)點受力優(yōu)化

通過對拱腳節(jié)點進行受力分析，針對其出現(xiàn)的問題，主要通過以下四種方案進行解決：

（1）方案1：把腹板設置在系梁到拱肋內部一段距離，不再設置外側腹板的開口。使用這種方法，可以把腹板提高，拱肋內應力也會相應增大，并通過中部腹板逐步進行傳送，降低了外側腹板的承受力，通過去除開口，減少了外側腹板的受力。

（2）方案2：把加勁板和腹板從水平改成豎直，同時減少中心線和支座橫向的位移35cm，不再設置隔板開口。使用這種方法，可以加大應力在豎直方向的傳輸效力。此外，還可以保證支座內側移動，使得外側腹板受力更加均勻。

（3）方案3：把隔板逐步延長至拱肋頂板。使用這種方法，不但可以降低隔板的整體受力情況，還可以加大隔板和腹板之間的連接距離，降低隔板的豎向高度。另外，大大增強了腹板剛度，避免了連接處剛度變化帶來的負面影響，減少了腹板的局部受力。

（4）方案4：聯(lián)合方案2和方案3，然后對相應模型進行整體計算，得到的板件受力情況如表1所示。

通過計算分析，得到以下結論：

（1）利用方案1進行改進以后，腹板和中腹板受力減少，然而內側腹板比外側腹板卻增加了很多，沒有改善腹板受力不均勻的狀況。此外，相對于鋼材強度設計值，支座隔板受力并沒有得到改善[4]。

（2）利用方案2進行改進以后，內外側腹板的受力情況基本均勻，中腹板受力也降低了。另外，因為支座傳力效力顯著增加，所以相應隔板受力情況也逐步下降。

（3）利用方案3進行改進以后，隔板整體受力情況改善最為明顯，同時也降低了腹板受力情況，改善了腹板整體的受力水平。

（4）利用方案4進行改進以后，同時采取方案2和方案3的優(yōu)點，保證了腹板應力降到了210MPa左右，使腹板的受力基本平衡。與此同時，支座隔板的應力也減少到245MPa，明顯低于最初設計值。

通過對比以上四種方案發(fā)現(xiàn)，采取方案4可以保證拱腳節(jié)點達到最優(yōu)的規(guī)劃設計。

5 結語

（1）本文采取子模型法進行有限元分析，這種方式具有一般性，不但克服了荷載施加的難度，降低了一些邊界條件帶來的負面影響，同時大大提高了結果的精度。通常，采取多個關鍵節(jié)點進行受力分析，使用這種有限元分析計算比較簡便。

（2）對于鋼結構系桿拱橋，如果要求拱肋和腹板帶有一定傾斜角度的情況，需要豎直放置將支座加勁，把支座往內側橫向偏移一些距離，從而能夠保證腹板整體受力平衡[5]。

（3）如果腹板之間的間距比較大，使用隔板來傳送豎直方向的力。為了降低隔板和系梁之間的剛度，可以把隔板逐步延長至拱肋頂板，從而降低局部應力情況。

（4）使用本模型設計的拱腳節(jié)點，主拉應力都比較小，不需要再通過鋼筋和預應力進行加強，只需對主拉應力比較大的地方進行稍微處理。此外，拱腳節(jié)點的尾部主拉應力相對來說比較強，因此在進行設計的時候要非常謹慎。

（5）拱肋和拱腳的連接點的壓應力比較大，主要是由于泊松效應的緣故，所以一定要采取相應的措施進行避免。另外，在設計過程中也不能過分追求造型完美，可能會造成局部應力過大的情況，使拱腳節(jié)點遭到破壞。

參考文獻：

[1]郭詩惠，邱澤彬，汪亞運.多因素作用下的舊拱橋主拱肋受力分析及加固研究[J].河南理工大學學報（自然科學版），2019，38（2）：136-142.

[2]蘇衛(wèi)銘.新型裝配式鋼結構半剛性節(jié)點力學性能及抗倒塌性能研究[D].西安：西京學院，2019.

[3]黃勇軍.大跨度鋼桁拱橋關鍵節(jié)點受力特性及優(yōu)化研究[J].鐵道科學與工程學報，2018，15（7）：146-153.

[4]孫林林.斜靠式系桿拱橋設計與施工要點[J].北方交通，2017，34（3）：45-46.

[5]劉強華.大跨度、大重量斜靠式系桿拱橋浮拖法施工技術研究[J].鐵道建筑技術，2016，45（2）：57-58.