下承式鋼拱橋的局部分析

肖 春，崔 寧

（中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司成都分公司，四川成都 610081）

0 引言

橋梁作為公共建筑，除滿足使用功能外，還有其景觀功能。隨著社會的發(fā)展，不對稱、異形橋梁大量應用于城市建設(shè)中[1-3]。在此類橋梁的設(shè)計中，除對其進行總體強度、剛度、穩(wěn)定性分析外，尚需對關(guān)鍵節(jié)點采用實體單元、板單元等進行精細化有限元分析，以了解結(jié)構(gòu)的局部受力特點，為下一步的設(shè)計、施工提供參考[4，5]。

1 工程概況

貴陽市漁安安井片區(qū)道路九南明河橋作為連接南明河兩岸的重要橋梁，全橋呈南北走向，北側(cè)與水東路相接，南側(cè)與濱河路相接。采用兩跨偏態(tài)拱的結(jié)構(gòu)形式，從單跨來看，像一條遨游在南明河上的巨鯨；兩跨連在一起，猶如一只正要高飛的雄鷹，寓意著未來方舟將乘著發(fā)展的東風，和貴陽一起展翅飛翔。該橋于2013年1月開工，2014年1月通過竣工驗收，目前已通車，運營良好。圖1為橋梁效果圖。

圖1 橋梁效果圖

1.1 總體布置

該橋全長80 m，分兩跨上跨南明河。1號橋墩位于南明河中，標準跨徑為49 m+30 m，均為下承式簡支鋼桁拱橋，中間設(shè)4 cm伸縮縫。橋面全寬22.1 m，雙向4車道，兩側(cè)為人行道。上部結(jié)構(gòu)采用全焊鋼結(jié)構(gòu)，鋼材均采用Q345qD，支架拼裝施工。橋梁立面及斷面見圖2、圖3。

圖2 橋梁立面圖（單位：cm）

圖3 橋梁橫斷面圖（單位：cm）

1.2 第1跨主桁架

第1跨桁架拱標準跨徑為49 m，分為8片上弦桿、8片下弦桿，16個節(jié)點。上弦桿、下弦桿、腹桿均為箱形截面，其斷面如圖4所示。為保證桁架拱的面外穩(wěn)定性，在2片拱肋間設(shè)2道橫撐。

圖4 第1跨桁架桿件斷面圖（單位：mm）

1.3 車行道橋面系

橋面系分為車行道橋面系與人行道橋面系。其中第1跨車行道橋面采用正交異性板鋼橋面，寬度15.6 m，橋面板厚16 mm，U肋厚8 mm。采用15片中橫梁、2片端橫梁，中橫梁的縱橋向間距為3 m。端橫梁均為箱形斷面，腹板厚度均為20 mm，底板厚度為20 mm，在端橫梁內(nèi)設(shè)置4道厚度12 mm的橫隔板。中橫梁均為工字形斷面，腹板厚度均為20 mm，底板厚度為20 mm。為防止中橫梁的面外失穩(wěn)，在中橫梁腹板上設(shè)置4道橫向加勁肋。圖5為橋面系斷面圖。

圖5 橋面系斷面圖（單位：mm）

2 局部構(gòu)件分析

根據(jù)橋梁的整體結(jié)算結(jié)果，第1跨的1B0節(jié)點處受力最不利，對其進行局部分析。同時，由于正交異性鋼橋面板采用桿單元計算難以得出較準確的結(jié)果，采用板單元對其分析。

2.1 1B0節(jié)點計算

2.1.1 計算模型

在Midas FEA v3.30中，采用子模型建立1B0節(jié)點的有限元模型，單元均采用二維板單元。為較準確模擬約束特性，本節(jié)點所在拱片的其他桿件采用梁單元建模。模型共計15 066個板單元，196個梁單元，14 889個節(jié)點。整體模型及1B0節(jié)點模型如圖6、圖7所示。

圖6 單片桁架有限元模型

圖7 1B0節(jié)點有限元模型

2.1.2 邊界條件

（1）上、下弦桿的梁單元與板單元采用剛性連接進行主從約束。

（2）1B0節(jié)點處24 mm厚支座橫向加勁板的各節(jié)點均設(shè)置uz豎向約束，在拱片另一側(cè)的支承處設(shè)置豎向uz約束。

2.1.3 作用力

外部作用力考慮結(jié)構(gòu)自重、橋面系及二期恒載重量、車道荷載共3部分。計算節(jié)點應力時，將3部分荷載作為靜載同時加載于結(jié)構(gòu)上。

（1）1B0節(jié)點及本片桁架的上、下弦桿，腹桿均在模型中有所體現(xiàn)，考慮到鋼結(jié)構(gòu)加勁肋重量，各構(gòu)件的自重提高系數(shù)取為1.25。

（2）在各中橫梁、端橫梁與下弦桿相交節(jié)點處施加-198 kN的豎向力來模擬上部結(jié)構(gòu)自重及二期恒載重量，本模型中共計16個此類節(jié)點；在上橫撐與上弦桿相交節(jié)點處施加-29.3 kN的豎向力來模擬上橫撐自重，本模型中共計2個此類節(jié)點，如圖8所示。

圖8 上部結(jié)構(gòu)重量及二期恒載示意圖

（3）車道作用：車道考慮均布力及集中力的作用。

采用杠桿原理法計算單片桁架的車道橫向分布系數(shù)，可得η=1.64，汽車沖擊系數(shù)取為1.4。

集中力為：P=1.64×1.4×（4×49+160）=817.4(kN)

均布荷載為：q=1.64×1.4×10.5=24.1(kN/m)

將集中力P作用于與1B0節(jié)點距離最近的下弦桿節(jié)點上，本模型中共計1個此類節(jié)點；將均布荷載q作用于所有的下弦桿單元上，本模型中共計46個此類單元，如圖9所示。

圖9 車道荷載示意圖

2.1.4 計算結(jié)果

腹板及下弦桿頂板，上弦桿頂、底板的最大正應力位于支承加勁肋與腹板連接處，為208.1 MPa，小于規(guī)范規(guī)定的300 MPa，見圖10。

支座加勁肋的最大正應力位于支承加勁肋與腹板、底板連接處，為216.4 MPa，小于規(guī)范規(guī)定的300 MPa,見圖11。

圖10 腹板及下弦桿頂板，上弦桿頂、底板σy正應力圖

圖11 底板及支座加勁肋局部σx正應力圖

2.2 頂板及橫梁計算

2.2.1 計算模型

在Midas FEA v3.30中，建立橋面板及中橫梁的有限元模型，單元均采用二維板單元。由于模型橫向?qū)ΨQ，為降低計算工作量，只建立1/4的模型，共計18 174個板單元，16 662個節(jié)點。

2.2.2 邊界條件

（1）橋面板及中橫梁的腹板、底板與下弦桿連接處均采用TX、TY、TZ共3個自由度約束。

（2）由于模型橫向?qū)ΨQ，對對稱截面的各節(jié)點約束UY、RX 2個自由度。

2.2.3 作用力

外部作用力考慮結(jié)構(gòu)自重、二期恒載重量、車輛荷載共3個部分。計算節(jié)點應力時，將3個部分荷載作為靜載同時加載于結(jié)構(gòu)上。

（1）橋面板、U肋、中橫梁、中橫梁加勁肋、小縱梁等各構(gòu)件的自重提高系數(shù)取為1.0。

（2）二期荷載為橋面鋪裝，厚度為8 cm，其自重為0.08×24=1.92（kN/m2），對橋面板各單元均施加-1.92 kN/m2的面壓力荷載。

（3）車輛荷載

采用城-A車輛荷載，不考慮沖擊系數(shù)，1/2的橋面系共分布2個車道，如圖12所示。

橋面瀝青混凝土鋪裝厚度為0.08 m，車輛荷載按45°角度擴散。

車輪的縱向分布寬度為：

圖12 車輛荷載加載圖

橫向分布寬度為：

考慮到橋面板單元的劃分尺寸，車輪的分布寬度近似為：

對單個輪重為100 kN處，橋面板單元的車輪均布面壓力為：

對單個輪重為70 kN處，橋面板單元的車輪均布面壓力為：

2.2.4 計算結(jié)果

橋面板的最大正應力位于車輪下，為65.1 MPa，小于規(guī)范規(guī)定的200 MPa,見圖13。

圖13 橋面板σyy應力圖

U肋的最大正應力位于車輪荷載下的U肋側(cè)壁，為 49.9 MPa<200 MPa。

中橫梁、小縱梁的最大正應力發(fā)生于橫梁底板與下弦桿連接處，為108.2 MPa<200 MPa，見圖14。

2.2.5 橋面系剛度

在最不利輪載作用下，節(jié)間相對位移為0.30mm<0.4 mm，滿足《正交異性鋼橋面系統(tǒng)的設(shè)計和基本維護指南》（報批稿）的要求。

圖14 中橫梁+小縱梁σxx應力圖

3 結(jié)語

（1）本文利用有限元分析軟件Midas FEA對下承式鋼拱橋的拱腳支承節(jié)點、橋面板進行空間有限元分析，通過局部計算分析結(jié)果可看出，除局部區(qū)域的應力水平較高外，絕大部分區(qū)域的應力水平均較低。拱腳節(jié)點、橋面板的最大應力及局部剛度均未超出規(guī)范的規(guī)定。

（2）該橋的拱腳支承節(jié)點、橋面板構(gòu)造是合理的，可為類似工程提供參考。

[1]林元培.橋梁設(shè)計工程師手冊[M].北京：人民交通出版社，2007.

[2]于剛.九堡大橋設(shè)計過程復雜節(jié)點局部分析[J].城市道橋與防洪，2011（12）：30-33.

[3]張琳,曾天寶.艾溪湖大橋局部受力分析[J].城市道橋與防洪，2012（12）：79-81，113.

[4]JTG D60-2004，公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

[5]JTJ 025-1986，公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].