大跨徑中承式鋼拱橋索拱及索梁連接構(gòu)造設(shè)計(jì)及局部受力分析

李科 王琪 鄭愛(ài)華

摘要：吊桿拱橋的索拱、索梁錨固區(qū)是整個(gè)橋梁荷載傳遞體系的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，構(gòu)造復(fù)雜且力學(xué)性能要求高，文章以一座大跨徑中承式吊桿鋼桁架拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象，對(duì)該橋索拱、索梁錨固構(gòu)造進(jìn)行了局部精細(xì)化有限元計(jì)算分析。計(jì)算結(jié)果顯示，該部分構(gòu)造設(shè)計(jì)滿(mǎn)足規(guī)范要求，且有一定的安全儲(chǔ)備。

[作者簡(jiǎn)介]李科（1989—），男，碩士，工程師，主要從事大跨度橋梁及復(fù)雜景觀橋梁設(shè)計(jì)工作;王琪（1983—），男，本科，高級(jí)工程師，主要從事市政工程設(shè)計(jì)管理工作;鄭愛(ài)華（1977—），男，本科，高級(jí)工程師，主要從事復(fù)雜結(jié)構(gòu)的景觀橋梁、大跨度橋梁設(shè)計(jì)工作。

對(duì)于中、下承式拱橋，吊桿是將橋面荷載傳遞給拱肋的主要構(gòu)件。吊索-主梁節(jié)點(diǎn)以及吊索-拱肋節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造復(fù)雜且力學(xué)性能要求高，是設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)考慮和分析的對(duì)象，結(jié)合具體工程的特點(diǎn)存在有若干種做法：有采用鋼錨箱形式[5、8]、銷(xiāo)鉸耳板形式[7]、齒塊錨固[11]、錨拉板形式、鋼錨管形式等。其中，李若思等[13]研究了鋼錨箱和吊耳形式在同一個(gè)工程中受力的優(yōu)缺點(diǎn);易達(dá)等[9]研究了豎直吊耳和斜吊耳的對(duì)拱內(nèi)構(gòu)造和受力的影響，具有參考價(jià)值。

1 工程概況

天保灣大橋位于成都市天府新區(qū)直管區(qū)沈陽(yáng)路西段，橫跨錦江。主橋長(zhǎng)230 m，為一孔中承式鋼桁架兩鉸拱橋（圖1），橋面布置形式為： 3.5 m人行道+3.5 m輔道+0.25 m欄桿+2.5 m拱肋保護(hù)區(qū)+0.5 m隔離帶+11.25 m機(jī)動(dòng)車(chē)道+0.5 m中央隔離護(hù)欄+11.25 m機(jī)動(dòng)車(chē)道+0.5 m隔離帶+2.5 m拱肋保護(hù)區(qū)+0.25 m欄桿+3.5 m輔道+3.5 m人行道=43.5 m。

全橋橫橋向設(shè)置兩片拱肋。拱肋上弦桿軸線采用二次拋物線，計(jì)算跨徑L1=216 m，計(jì)算矢高f1=35 m，矢跨比f(wàn)1/L1=1/6.17;拱肋下弦桿軸線采用二次拋物線，計(jì)算跨徑L2=216 m，計(jì)算矢高f2=49 m，矢跨比f(wàn)2/L2=1/4.41。主拱上弦桿末端伸入橋頭堡預(yù)埋橫向限位裝置，下弦桿拱腳處采用鑄鋼鉸與拱座預(yù)埋件連接。

鋼加勁梁采用雙箱單室形式，箱體寬2 m，中心梁高2.801 m，兩箱之間設(shè)置縱橋向間距3 m 的工字鋼橫梁，梁高2.674～3 m。橋面采用正交異性板鋼橋面板。全橋共設(shè)置16對(duì)吊桿，拱上吊桿間距12 m，除端部短吊桿采用剛性吊桿外，其余均為柔性吊桿。

2 索拱、索梁構(gòu)造設(shè)計(jì)

2.1 索拱構(gòu)造

以天保灣大橋拱上E1節(jié)點(diǎn)（拱頂位置）為例，吊耳（N1）呈90°與拱上橫隔板正交，插入拱肋，耳板（N1）設(shè)置兩塊平行于拱肋橫隔板的八邊形加勁板（N2），同時(shí)平行于耳板設(shè)置兩塊承拉板（N3）（圖2、圖3）。

2.2 索梁構(gòu)造

以天保灣大橋梁上E1節(jié)點(diǎn)為例，吊耳（N1）呈90°與梁體橫隔板正交，嵌入梁體，耳板（N1）設(shè)置兩塊平行于梁肋橫隔板的八邊形加勁板（N2），同時(shí)平行于耳板設(shè)置兩塊承拉板（N3）（圖4、圖5）。

3 計(jì)算分析

3.1 荷載

應(yīng)力邊界條件由整體計(jì)算所得的荷載決定， 邊界力采用剛性耦合面節(jié)點(diǎn)力施加。通過(guò)Midas/Civil 2017有限元軟件建立主橋整體模型，獲得承載能力極限狀態(tài)下拱梁及索梁位置的吊桿力（表1）。

3.2 有限元模型

本文進(jìn)行梁上及拱上錨點(diǎn)局部應(yīng)力分析[1-4]時(shí)，索梁、索拱錨固區(qū)[9-10]局部受力情況，參照圣維南原理[7]計(jì)算梁段長(zhǎng)度，且應(yīng)保證錨點(diǎn)附近范圍內(nèi)的腹板應(yīng)力受邊界條件影響較小，因此取2倍梁高范圍[6]。

鐵路與公路李科， 王琪， 鄭愛(ài)華： 大跨徑中承式鋼拱橋索拱及索梁連接構(gòu)造設(shè)計(jì)及局部受力分析研究由于吊桿錨固區(qū)構(gòu)件多，空間位置關(guān)系復(fù)雜，建模工作量大，所以本文采用Solidworks建立三維模型，采用ANSYS的APDL參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言提高建模效率，便于修改和調(diào)整模型。鋼板采用Shell63殼單元模擬。吊耳加載點(diǎn)采用Mass21質(zhì)量單元模擬。

3.3 局部應(yīng)力分析

3.3.1 索拱模型應(yīng)力分析

建立有限元模型見(jiàn)圖6。

加載節(jié)點(diǎn)吊桿力后的結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出應(yīng)力傳遞趨勢(shì)為通過(guò)耳板（N1），將索力傳遞到主拱下弦桿底板和橫隔板，然后將力擴(kuò)散至全拱，主拱下弦桿底板承受面外應(yīng)力，橫隔板承受面內(nèi)拉應(yīng)力為主。橫隔板局部最大應(yīng)力182 MPa。耳板應(yīng)力70.1 MPa，N2板件68 MPa，N3板件87 MPa，底板144 MPa，橫隔板123 MPa。

3.3.2 索梁模型應(yīng)力分析

從拱上應(yīng)力狀態(tài)可知，加勁肋對(duì)此類(lèi)節(jié)點(diǎn)模型應(yīng)力水平影響不大，因此為簡(jiǎn)化計(jì)算，梁上有限元模型建模時(shí)不考慮加勁肋影響。

建立有限元模型如圖8所示。

加載節(jié)點(diǎn)吊桿力后的結(jié)果如圖9所示。

從上圖可以看出應(yīng)力傳遞趨勢(shì)為：主橋橋面承受的荷載通過(guò)橫隔板傳遞到耳板，主梁頂?shù)装宄惺苊嫱鈶?yīng)力，橫隔板承受面內(nèi)拉應(yīng)力為主。橫隔板局部最大應(yīng)力189 MPa。耳板應(yīng)力90.7 MPa，N2板件88 MPa，N3板件88.7 MPa，頂板157 MPa，橫隔板120 MPa。

4 結(jié)論

（1）索拱連接部位最大應(yīng)力不超過(guò)182 MPa，索梁連接部位最大應(yīng)力不超過(guò)189 MPa，均出現(xiàn)在橫隔板，說(shuō)明該板件為重要直接傳力結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)中應(yīng)該注重該位置強(qiáng)度。

（2）主梁索梁連接的傳力途徑為：主橋橋面承受的荷載通過(guò)橫隔板傳遞到耳板，主梁頂?shù)装宄惺苊嫱鈶?yīng)力，橫隔板承受面內(nèi)拉應(yīng)力為主。

主拱索拱連接的傳力途徑為： 應(yīng)力傳遞趨勢(shì)為通過(guò)耳板，將索力傳遞到主拱下弦桿底板和橫隔板，然后將力擴(kuò)散至全拱，主拱下弦桿底板承受面外應(yīng)力，橫隔板承受面內(nèi)拉應(yīng)力為主。

（3）索梁、索拱構(gòu)造的橫隔板的厚度對(duì)局部應(yīng)力控制起到了直接作用，加強(qiáng)與吊耳連接橫隔板的構(gòu)造是有效的，對(duì)后續(xù)同類(lèi)橋梁設(shè)計(jì)起到參考意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 程玉芹， 王朝， 劉昆. A形吊耳強(qiáng)度有限元分析[C]// 達(dá)索系統(tǒng)2013 SIMULIA中國(guó)區(qū)用戶(hù)大會(huì). 2013.

[2] 肖文勇， 佘凱. 吊耳局部有限元建模技術(shù)分析[J]. 船舶工程， 2009， 31（s1）：94-97.

[3] 劉淼. 鋼管混凝土斜拉橋索塔鋼錨箱受力分析及優(yōu)化[J]. 建設(shè)科技， 2018（2）：106-107.

[4] 桂水榮， 陳水生， 萬(wàn)水. 系桿拱橋吊桿節(jié)點(diǎn)足尺模型承載性能試驗(yàn)研究[J]. 橋梁建設(shè)， 2013， 43（2）：58-63.

[5] 黃智華. 自錨式懸索橋鋼錨箱設(shè)計(jì)及受力分析[J]. 城市道橋與防洪， 2017（12）：44-46.

[6] 高小妮， 賀拴海， 趙煜. 索梁錨固區(qū)應(yīng)力狀態(tài)單因素影響分析[J]. 廣西大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2012， 37（1）：94-102.

[7] 劉琛. 138m鋼箱疊拱橋耳板錨固結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析[J]. 鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)， 2014， 58（7）：98-101.

[8] 鄭綱， 王天亮. 獵德大橋吊索錨箱傳力和疲勞性能試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)[J]. 世界橋梁， 2009， 2009（1）：49-52.

[9] 易達(dá). 大跨度鋼桁架拱橋地震響應(yīng)分析和索拱連接詳細(xì)應(yīng)力分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D]. 成都：西南交通大學(xué)， 2016.

[10] 黃利鋒， 馮健， 趙建，等. 內(nèi)凹式索拱結(jié)構(gòu)極限承載力研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)， 2010， 31（2）：41-47.

[11] 盧元?jiǎng)偅?王勝男. 部分斜拉橋索梁錨固區(qū)應(yīng)力分析[J]. 工程與建設(shè)， 2015， 29（6）：18-20.

[12] 王曉明， 袁遠(yuǎn)， 郝憲武. RC系桿拱橋拱肋吊桿錨固結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析與優(yōu)化[J]. 鐵道建筑， 2013（7）：8-9.

[13] 李若思. 鋼箱提籃拱橋使用階段的詳細(xì)應(yīng)力分析及地震響應(yīng)分析[D]. 成都：西南交通大學(xué)， 2018.