烏龍江大橋吊桿與鋼拱肋連接處局部受力分析

鄒波

廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司 廣東 廣州 510200

引言

烏龍江大橋為（70+140+168+140+70）m五跨連續(xù)梁拱橋，主梁采用預(yù)應(yīng)力變截面混凝土梁，拱肋采用鋼箱拱。吊桿與鋼箱拱肋連接處結(jié)構(gòu)構(gòu)造和受力情況都較為復(fù)雜，全橋整體分析中，吊桿和鋼拱肋分別采用空間桁架單元和空間梁單元模擬，難以考慮兩者及其連接處的構(gòu)造細(xì)節(jié)，因此，其受力狀態(tài)有必要作進(jìn)一步的局部細(xì)化分析[1]。

1 拱肋結(jié)構(gòu)

本橋采用提籃式鋼箱拱結(jié)構(gòu)，中跨跨度168m，矢高28m（含橋面下0號塊區(qū)域），中跨主拱矢跨比為1/6，中跨拱軸線采用R=141010m的圓曲線，主拱肋按4.5°角內(nèi)傾，拱頂處拱肋間距為9.549m。拱肋為單箱單室等截面，截面尺寸高×寬為2.0m×1.5m，頂?shù)装搴?2mm，腹板厚32mm。采用板肋加勁肋，高250mm。左右兩個鋼箱拱肋通過5道鋼箱橫撐連接成整體。拱肋上橫隔板間距3m（軸線距離），有吊點處橫隔板厚30mm，無吊點處橫隔板厚20mm。

本橋邊拱結(jié)構(gòu)為提籃式鋼箱拱，邊跨跨度140m，矢高19.8m（含橋面下0號塊區(qū)域），邊拱矢跨比為1/7.07，中跨拱軸線采用R=119067m的圓曲線，邊拱肋按4.5°角內(nèi)傾，拱頂處拱肋間距為10.564m。拱肋為單箱單室等截面，截面尺寸高×寬為2.0m×1.5m，頂?shù)装搴?2mm，腹板厚32mm。采用板肋加勁肋，高250mm。左右兩個鋼箱拱肋通過3道鋼箱橫撐連接成整體。拱肋上橫隔板布置間隔為3m（軸線距離），有吊點處橫隔板厚30mm，無吊點處橫隔板厚20mm。

圖1 全橋空間有限元模型軸側(cè)圖

由于拱肋內(nèi)傾以及不同吊桿的錨固位置標(biāo)高不一樣，不同位置吊桿傾角各有差異，不同位置吊桿與箱梁中心線的夾角如下表所示：

圖2 吊桿傾角示意圖

表1 不同位置吊桿傾角計算結(jié)果

2 計算工況選取

全橋整體分析得到的吊桿力如表2所示，其中中跨5#吊桿的吊桿力最大，跨中1#吊桿傾角與內(nèi)力均較大，所以本文選取內(nèi)力最大的5#吊桿處以及傾角和內(nèi)力均較大的中跨1#吊桿做局部分析[2]。不同工況下的吊桿受力如下表所示：

表2 不同吊桿的吊桿力（kN）

3 局部分析的有限元模型

3.1 截取范圍

所有吊桿與鋼箱梁的連接形式相同，選取吊桿1#和5#與鋼箱梁的連接處進(jìn)行局部細(xì)化分析。局部受力分析模型截取的范圍應(yīng)足夠大，根據(jù)烏龍江大橋的相關(guān)設(shè)計資料，對吊桿處連接裝置進(jìn)行局部分析時順橋向長度均取3m。

3.2 有限元模型建立

采用大型有限元軟件包ANSYS對吊桿與鋼箱梁連接處局部位置進(jìn)行受力特性分析。局部空間有限元模型全部采用shell63空間板殼單元模擬。局部模型中，頂?shù)装搴透拱迮c縱向加勁肋在相交位置共節(jié)點，加勁肋與端橫隔板不連接，吊桿位置隔板與底板及邊腹板共節(jié)點。本文重點分析套筒及隔板的受力情況，考慮了吊桿與鋼箱拱肋錨固區(qū)的構(gòu)造細(xì)節(jié)，建立精細(xì)化的ANSYS有限元分析模型，連接處的網(wǎng)格進(jìn)行加密，箱梁底部加上固定邊界條件[3]。

圖3 吊桿位置空間有限元模型（未顯示鋼箱）

4 計算結(jié)果及分析

4.1 Mises等效應(yīng)力

由應(yīng)力云圖可知，在恒載和最不利活載作用下，5#吊桿豎向隔板最大Mises等效應(yīng)力為190MPa，出現(xiàn)在套筒與隔板相交位置，其余位置應(yīng)力均在110Mpa以內(nèi)；鋼套筒大部分區(qū)域最大Mises等效應(yīng)力在120MPa以內(nèi)，在套筒頂部與豎向及橫向墊板的交界處，且存在一定的應(yīng)力集中，最大值達(dá)653Mpa，橫向墊板最大Mises等效應(yīng)力為230MPa，發(fā)生在與套筒連接位置[4]。

圖4 吊桿1#與5#豎向隔板Mises等效應(yīng)力（Pa）

在恒載和最不利活載作用下，1#吊桿豎向隔板最大Mises等效應(yīng)力為167MPa，套筒與隔板相交位置，其余位置應(yīng)力均在90Mpa以內(nèi)；鋼套筒大部分區(qū)域最大Mises等效應(yīng)力小于120MPa，在套筒頂部與豎向及橫向墊板的交界處，且存在一定的應(yīng)力集中，達(dá)580Mpa，橫向墊板最大Mises等效應(yīng)力為194MPa，發(fā)生在與套筒連接位置。

4.2 主拉應(yīng)力幅

根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》4.3.2條，多線鐵路橋進(jìn)行疲勞荷載驗算時，疲勞荷載按照單線加載，布置在橫向最不利位置，同時乘以多線系數(shù)γd[5]。

在最不利活載作用下，中跨5#吊桿處大主拉應(yīng)力為51MPa，發(fā)生在套筒頂面邊緣；其余位置的主拉應(yīng)力均在10Mpa以內(nèi)。1#吊桿處局部位置有較大的應(yīng)力集中，最大約為46Mpa，其余部分的最大主拉應(yīng)力均小于10Mpa。

根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[6]4.3.6條，構(gòu)件其疲勞檢算應(yīng)符合下列規(guī)定

根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[6]表3.2.7-1的相關(guān)說明，對于鋼結(jié)構(gòu)角焊縫其疲勞容許應(yīng)力幅為110.3Mpa。

51×1.12＜110.3Mpa，因此，吊桿處墊板疲勞強(qiáng)度滿足要求。

5 結(jié)束語

綜上所述，吊桿與鋼箱梁連接處，鋼箱梁的強(qiáng)度滿足要求，套筒與橫向及豎向板交界位置有應(yīng)力集中現(xiàn)象，在此位置需保證吊桿作用點與承壓板與套筒垂直，套筒與箱梁及隔板位置需保證焊接質(zhì)量，防止產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中。