成都新建五岔子大橋梁墩節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

鄭愛華，趙 彬，李 科，王美馨

（1.四川西南交大土木工程設(shè)計(jì)有限公司，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031）

1 工程概況

成都新建五岔子大橋位于該市高新區(qū)南部園區(qū)，西自江灘公園起，跨越紅星路南延線、府河、熊家橋路向東接入公濟(jì)橋路。未來錦江將改造為旅游目的地，休閑人群通行需求大，因而對(duì)該橋的景觀要求很高。2015年9月，四川省建筑設(shè)計(jì)研究院以“莫比烏斯環(huán)”為設(shè)計(jì)靈感的方案在全球方案征集中中標(biāo)。該方案由兩座橋組成為無窮大的符號(hào)，形成一個(gè)無限循環(huán)（見圖1），以彰顯五岔子大橋所在的高新片區(qū)無限上升的發(fā)展可能。四川西南交大土木工程設(shè)計(jì)有限公司據(jù)此方案完成了橋梁結(jié)構(gòu)的施工圖設(shè)計(jì)。

圖1 橋位平面圖

五岔子大橋采用鋼結(jié)構(gòu)，分兩幅橋進(jìn)行設(shè)計(jì)，上游橋?yàn)橹鳂颍掠螛驗(yàn)楦睒?，主、副橋間通過連接通道相接。為確保與中標(biāo)方案外觀嚴(yán)格一致，結(jié)構(gòu)各設(shè)計(jì)外輪廓曲線均通過樣條曲線擬合而成，梁體寬度、高度變化較大。主橋第2聯(lián)為4跨V型墩連續(xù)剛構(gòu)橋，主橋橋型布置圖見圖2。

圖2 主橋橋型布置圖（單位：m）

2 Z4X1梁墩節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

本橋V型墩的兩肢采用箱型截面，下端固結(jié)于承臺(tái)頂面，上端與鋼箱梁剛接，其梁墩節(jié)點(diǎn)構(gòu)造異型、受力復(fù)雜。方案設(shè)計(jì)階段Z4X1節(jié)點(diǎn)附近的斷面圖見圖3（斷面位置見圖2）。經(jīng)簡單計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，該節(jié)點(diǎn)局部區(qū)域應(yīng)力偏大，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)以確保安全。

圖3 節(jié)點(diǎn)主要斷面圖（單位：mm）

國內(nèi)外已建成的混凝土斜腿剛構(gòu)橋較多，其墩梁節(jié)點(diǎn)的板較厚，上下板件之間屬于面?zhèn)髁?，一般不存在局部失穩(wěn)問題，還可以通過合理布置預(yù)應(yīng)力鋼筋來減小混凝土拉應(yīng)力[1-2]。鋼結(jié)構(gòu)的墩梁節(jié)點(diǎn)尚不多見[3-4]。吳睿麒等[5]對(duì)某鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)剛構(gòu)橋V型墩局部進(jìn)行了受力分析，計(jì)算顯示該橋在斜腿頂部底板倒角處的各板件存在局部應(yīng)力較大的現(xiàn)象，并就梁墩節(jié)點(diǎn)給出了增加斜腿截面加勁數(shù)量的設(shè)計(jì)建議。

筆者對(duì)梁墩節(jié)點(diǎn)各構(gòu)件截面特征和力流傳遞規(guī)律進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，本橋斜墩的斷面形狀扁平，其腹板（含加勁肋）在整個(gè)斷面中所占比例僅為16.4%，而上部豎向荷載通過與梁體腹板對(duì)齊的斜墩腹板進(jìn)行傳遞，顯然是最直接的傳力路徑，這意味著梁墩腹板會(huì)有應(yīng)力集中。為此，擬定了以下兩套設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。

（1）方案A——為了降低必定集中的局部應(yīng)力，設(shè)計(jì)中常用的一種做法就是增加板厚，即將圖3（a）中的N1板厚調(diào)整為34 mm。

（2）方案B——主梁和斜墩局部區(qū)域增設(shè)兩道厚24 mm次腹板（見圖4中NF1和NF2），以便分擔(dān)主腹板的荷載，同時(shí)減小主梁底板和斜墩翼緣板的區(qū)格尺寸，從而提高局部穩(wěn)定性，并減小主梁頂?shù)装寮袅?yīng)，主腹板N3板厚也可減至28 mm。

圖4 方案B的D-D斷面（單位:mm）

經(jīng)核算，方案B比方案A在該節(jié)點(diǎn)增加不到2%的用鋼量。

3 有限元計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 有限元建模

本橋整體計(jì)算采用Midas/Civil完成。利用ANSYS建立了單元總數(shù)約3萬個(gè)的板、梁混合單元局部模型。局部模型包含的范圍如下：大跨方向邊界為整體模型的永久荷載彎矩零點(diǎn)（圖2 A-A斷面），主梁V墩內(nèi)側(cè)邊界（圖2 B-B斷面）距離節(jié)點(diǎn)區(qū)域超過1倍梁高，斜墩下端為固結(jié)狀態(tài)。分析重點(diǎn)在于斜墩頂部的受力狀態(tài)，故選取了墩頂（圖2 C-C斷面）最小彎矩和最大彎矩兩個(gè)工況，從整體模型中提取這兩個(gè)工況所對(duì)應(yīng)的梁截面內(nèi)力，作為外荷載施加到局部模型的梁端上，同時(shí)還考慮了作用于局部模型邊界范圍之內(nèi)的恒載和活載。此外，考慮到局部模型基本對(duì)稱于截面中心線，故僅建立了一半結(jié)構(gòu)的有限元模型（見圖5）。

圖5 方案B的單元離散圖

3.2 墩頂最小彎矩工況的計(jì)算結(jié)果

由圖2可知，A-A斷面一側(cè)是大跨，B-B斷面一側(cè)是小跨，故墩頂最小彎矩（負(fù)值）工況應(yīng)該是節(jié)點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)的控制工況。

為滿足圣維蘭原理，圖6的應(yīng)力云圖排除了梁端的計(jì)算結(jié)果。兩個(gè)方案的腹板和頂板、底板均有高應(yīng)力區(qū)，但方案B的高應(yīng)力范圍和最大值都明顯小于方案A，方案B的頂板、底板應(yīng)力的不均勻性（剪力滯效應(yīng)）也小于方案A。

圖6 局部模型Mis e s應(yīng)力云圖（單位：MP a）

腹板設(shè)計(jì)是兩個(gè)方案最大的區(qū)別。圖7詳細(xì)展示了兩者受力上的差別。不考慮局部模型未建立人孔加勁所造成的應(yīng)力集中之后，對(duì)應(yīng)力大于130 MPa的面積進(jìn)行簡單統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn),方案A大約是方案B的4.2倍。

圖7 局部模型腹板Mis e s應(yīng)力云圖（單位：MP a）

3.3 墩頂最大彎矩工況的計(jì)算結(jié)果

圖8為兩個(gè)方案在墩頂最大彎矩工況條件下的局部模型應(yīng)力云圖。通過簡單力學(xué)分析可判知，本工況不是梁墩節(jié)點(diǎn)受力的控制工況，故相比墩頂最小彎矩工況，兩個(gè)方案的高應(yīng)力范圍和極值均稍小，但方案B的受力狀態(tài)仍優(yōu)于方案A。

圖8 局部模型腹板Mis e s應(yīng)力云圖（單位：MP a）

3.4 分析

剛構(gòu)橋的下部結(jié)構(gòu)如采用空心扁墩（無論是豎直墩還是斜墩），則梁體豎向荷載傳遞到墩頂橫隔板時(shí)會(huì)有兩條傳遞途徑：一是直接傳遞給面積較小的墩腹板；二是先傳遞給墩頂橫隔板，再傳遞給墩翼緣，但由于剪力滯效應(yīng)，寬翼緣的中部不能很好地承接該荷載——當(dāng)采用鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，上述力流傳遞規(guī)律尤其顯著。

增設(shè)次腹板之后，部分豎向荷載提前于墩頂橫隔板處就完成了向下傳遞：橋面荷載→橫隔板→梁次腹板→墩次腹板，也能更有效地傳遞給墩翼緣。

3.5 其他墩梁節(jié)點(diǎn)

采用以上研究思路，筆者對(duì)本橋Z4X2、Z5X3、Z5X4節(jié)點(diǎn)也進(jìn)行了有限元計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語

從基本的力學(xué)分析出發(fā)，充分利用大型有限元軟件的計(jì)算能力進(jìn)行深化、優(yōu)化設(shè)計(jì)，已成為現(xiàn)在工程設(shè)計(jì)中一種常見和重要的技術(shù)手段。本文對(duì)成都新建五岔子大橋主橋梁墩節(jié)點(diǎn)的有限元對(duì)比計(jì)算顯示，節(jié)點(diǎn)部分板件存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，而簡單增加板厚度的優(yōu)化方案效果不如增加次腹板的方案。

五岔子大橋已于2020年底建成并投入使用，深受市民好評(píng)，成為成都市的“網(wǎng)紅橋”。