鋼結(jié)構(gòu)橋梁塔梁墩固結(jié)部位的局部應(yīng)力分析

侯寶林

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的突飛猛進(jìn)，城市公共設(shè)施得到了大力發(fā)展，造型獨(dú)特的景觀橋梁如雨后春筍般拔地而起。景觀橋梁兼具建筑美學(xué)與交通功能，其結(jié)構(gòu)的創(chuàng)造性和復(fù)雜性往往帶來傳力不明確、應(yīng)力集中等問題。某人行景觀橋局部節(jié)點(diǎn)采用塔梁墩固結(jié)設(shè)計(jì)，該節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，應(yīng)力分布不明，需采用有限元軟件建立實(shí)體模型進(jìn)行分析，以確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全可靠。

關(guān)鍵詞：鋼橋;塔梁墩固結(jié);有限元分析;局部應(yīng)力

中圖分類號：U441.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 工程概況

某人行景觀橋上跨既有城市快速路，道路紅線寬67 m，橋梁全長202 m，受地形和管線影響，道路紅線范圍內(nèi)僅一條道路側(cè)分帶可以設(shè)置橋墩，其余橋墩需設(shè)置于道路紅線外側(cè)的公園綠地。該橋采用不對稱的布置形式，跨徑布置為40+40+57+40+25=202 m（圖1）。上部結(jié)構(gòu)和橋墩均采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主梁結(jié)構(gòu)為等高變寬連續(xù)鋼箱梁，2號墩的梁頂設(shè)置傾斜式橋塔，橋塔軸線長約40 m，與水平面夾角為40°，橋塔與第三跨主梁之間設(shè)置15根斜拉索，橋墩采用矩形截面鋼墩。

該橋的剛度主要由梁體提供，橋塔向主跨方向傾斜，呈單端固結(jié)的懸臂結(jié)構(gòu)，對橋面荷載的承擔(dān)比例相對較小，橋梁從受力性質(zhì)上可看作是索塔增強(qiáng)的梁橋[1]。因人行橋?qū)φ駝?dòng)舒適度要求高，豎向自振頻率不小于3 Hz[2]，當(dāng)采用塔梁墩固結(jié)的剛構(gòu)體系[3]，不但可以提高結(jié)構(gòu)的整體剛度和結(jié)構(gòu)自振的基頻，使之避開人橋振動(dòng)的敏感頻率范圍[4]，而且索塔處不需要設(shè)置支座，解決橋梁管養(yǎng)更換支座困難的問題。塔梁墩固結(jié)體系一個(gè)顯著特點(diǎn)是主梁在固結(jié)處的負(fù)彎矩大，且溫度作用引起的結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力不可忽視，塔梁墩固結(jié)段的翼板、腹板、橫隔板等板件及其加勁肋交錯(cuò)布置（圖2），呈復(fù)雜的三維應(yīng)力狀態(tài)，若僅基于桿系模型進(jìn)行受力分析可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況大不相同，故有必要建立該節(jié)點(diǎn)的實(shí)體模型進(jìn)行受力分析，求解各板件的應(yīng)力分部情況和應(yīng)力大小。

2 計(jì)算模型

塔梁墩固接處，鋼橋塔與鋼箱梁斜交，鋼橋墩與鋼箱梁正交。塔、梁、墩的材質(zhì)均采用Q355C鋼材。通過有限元軟件 midas建立的桿系模型計(jì)算，將塔梁墩固接段在基本組合下的內(nèi)力最大值和最小值提取出來，選取最不利的內(nèi)力施加在有限元軟件Ansys建立的空間三維板殼節(jié)段模型上，進(jìn)行受力計(jì)算分析。

根據(jù)圣維南原理[5]，還需要在塔梁墩模型的外圍再建一段過渡段，以避免邊界上內(nèi)力施加處應(yīng)力集中對結(jié)果分析干擾。過渡段采用與塔梁墩模型相同的材料和斷面，但在結(jié)果分析不納入分析范圍。過渡段的長度取5 m，即鋼箱梁兩端、橋塔、橋墩各加長5 m，并在過渡段的終點(diǎn)建立一個(gè)端面，方便施加荷載。

有限元模型選用Shell93單元對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分（圖3）。在施加邊界條件時(shí)，Ansys模型必須要有固定的自由度約束，因此將橋墩底部邊界段的端面設(shè)置為固接，在鋼箱梁左右兩側(cè)的邊界段的端面上和橋塔邊界段的端面上施加由整體桿系模型計(jì)算得到的彎矩、剪力和軸力。

3 計(jì)算結(jié)果

（1）結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力。結(jié)構(gòu)整體 mises應(yīng)力結(jié)果見圖4和圖5，鋼箱梁的頂板和底板、鋼橋墩的主板應(yīng)力水平相對較高，而鋼橋塔、鋼箱梁和橋墩中的橫隔板應(yīng)力水平相對較低，最大應(yīng)力不超過240 MPa。

（2）橋塔應(yīng)力計(jì)算。鋼橋塔的應(yīng)力大小在60 MPa～120 MPa，應(yīng)力水平較低（圖6）。

（3）鋼箱梁應(yīng)力。鋼箱梁的應(yīng)力云圖見圖7，鋼箱梁的頂板的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在橋塔的異形側(cè)板（J15）與箱梁頂板的相交處，這與建模時(shí)將實(shí)際中的圓弧簡化成折角有關(guān)使得此處應(yīng)力集中，鋼箱梁頂板的平均應(yīng)力在90 MPa～120 MPa左右，滿足設(shè)計(jì)要求。鋼箱梁底板的應(yīng)力比頂板的應(yīng)力略大，底板的平均應(yīng)力在180 MPa～210 MPa范圍。

（4）鋼橋墩應(yīng)力。鋼橋墩的應(yīng)力云圖見圖8，截面應(yīng)力分布不均勻，剪力滯效較為明顯。鋼橋墩的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在異形側(cè)板（J22）的角點(diǎn)處，這與建模時(shí)將實(shí)際中的圓弧簡化成折角有關(guān)，使得此處發(fā)生應(yīng)力集中。由應(yīng)力云圖可知，鋼橋墩的平均應(yīng)力約為180 MPa～210 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

（1）塔梁墩固結(jié)區(qū)域的板件受力較為復(fù)雜，桿系模型不能反映該節(jié)點(diǎn)真實(shí)的應(yīng)力分布情況，需要建立實(shí)體模型進(jìn)行細(xì)部構(gòu)件應(yīng)力計(jì)算。（2）該橋塔梁墩結(jié)合段滿足受力要求，應(yīng)力水平尚有富余，構(gòu)造合理，結(jié)構(gòu)安全可靠。（3）橋塔異形側(cè)板與主梁相交處以及橋墩的板件角點(diǎn)部位有應(yīng)力集中現(xiàn)象，可通過設(shè)置加勁肋以防止板件局部失穩(wěn)和變形過大。

參考文獻(xiàn)：

[1]張連振.大跨度橋梁設(shè)計(jì)與施工[M].北京：人民交通出版社股份有限公司，2015.

[2]CJJ 69-95城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范[S].

[3]上官萍，房貞政，卓衛(wèi)東.塔梁墩固結(jié)斜拉橋結(jié)構(gòu)受力分析[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1999，39（03）：19-22.

[4]陳政清，華旭剛.人行橋的振動(dòng)與動(dòng)力設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社，2009.

[5]張少實(shí).新編材料力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.