李東勝

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

1 工程概況

三官堂大橋主橋采用鋼桁連續(xù)梁橋，跨徑布置160+465+160=785m。主桁采用變高桁架，桁式采用N形桁，中跨跨中桁高14.5m，邊墩墩頂桁高15.0m，中支點桁高42.0m。桁架基本間距15.0m，在中支點附近為18.75m。主桁立面圖見圖1。

圖1 主桁立面圖（單位：m）

2 主桁中支點節(jié)點構(gòu)造

主桁中支點節(jié)點連接V撐處6根桿件，包括兩側(cè)斜腹桿、豎桿、中間斜腹桿和橫梁。節(jié)點下設(shè)支座，上部結(jié)構(gòu)作用通過此節(jié)點傳遞給支座。

兩側(cè)斜腹桿為主要傳力桿件，由于航空限高，兩側(cè)斜腹桿軸線與水平面夾角較小，分別為12.2°（邊跨側(cè)）和19.1°（中跨側(cè)），受力最大。豎桿和中間斜腹桿受力較小。6根桿件均為箱型截面，各桿件截面尺寸見表1。

節(jié)點板與兩側(cè)斜腹桿、中間斜腹桿和豎桿頂?shù)装鍖?，外?cè)對齊，兩塊節(jié)點板間距2200mm。節(jié)點板與每個桿件頂?shù)装搴缚p設(shè)置在圓弧起點外側(cè)150mm處。根據(jù)此原則確定節(jié)點板平面規(guī)格，節(jié)點板厚60mm。除節(jié)點板，另在兩側(cè)斜腹桿與節(jié)點底板圍成區(qū)域增設(shè)一道中腹板，中腹板厚60mm。

表1 各桿件截面尺寸 單位：mm

節(jié)點內(nèi)設(shè)置腹板與兩側(cè)斜腹桿、中間斜腹桿、豎桿腹板和橫梁對接。兩側(cè)斜腹桿受力最大，其上側(cè)對接腹板（F1、F5）通過隔板（HG7）連接，考慮預(yù)留支撐加勁焊接空間，下側(cè)對接腹板（F1a、F5a）通過加勁（J7）連接；豎桿對接腹板（F3）向下延伸至底板，同時作為橫梁對接板和支撐加勁；兩側(cè)斜腹桿受力較小，其對接板（F2、F2a、F4、F4a）伸入節(jié)點板后截斷（見圖2）。同時，節(jié)點內(nèi)設(shè)置與桿件加勁對應(yīng)加勁。F1、F1a厚45mm，F(xiàn)5、F5a厚50mm，F(xiàn)2、F2a、F4、F4a厚24mm，F(xiàn)3厚45mm。

橫橋向設(shè)置5道隔板（HG1~HG5），由于兩側(cè)斜腹桿與水平面夾角較小，最外側(cè)隔板間距（HG1、HG5）不宜過小，否則J7~J7a與底板距離較小，支撐加勁無法焊接。次外側(cè)隔板（HG2、HG4）為臨時支座支撐加勁，中隔板（HG3）為永久支撐加勁。橫隔板厚度均為45mm。

本橋節(jié)點板、中腹板與橫橋向隔板（HG1~HG5）、豎向腹板對接板（F3）之間焊縫采用熔透焊。上述板件與底板之間焊縫亦采用熔透焊，其余焊縫為半熔透焊縫。支座墊板與底板之間采用兩種焊縫形式：橫橋向固定支座處采用坡口角焊縫，橫橋向可動支座處采用角焊縫。為防止焊接時支座墊板脫空，支座墊板中心區(qū)域設(shè)計多個直徑0.1m圓孔，焊接周圍焊縫前，首先利用圓孔與節(jié)點底板圈焊固定。

圖2 中墩墩頂節(jié)點構(gòu)造圖（單位：mm）

節(jié)點板倒圓弧處設(shè)封頭板，以確保節(jié)點內(nèi)部密封。節(jié)點內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，考慮后期二次涂裝困難，節(jié)點內(nèi)澆筑混凝土。節(jié)點位于V撐最低處，節(jié)點內(nèi)設(shè)置排水孔，防止積水。

3 有限元分析

3.1 有限元模型

全橋總體計算采用桿系模型，局部節(jié)點分析采用板殼模型，是鋼桁梁橋計算常用方法。本橋總體計算采用MIDAS桿系模型，節(jié)點局部分析采用ANSYS有限元軟件。

有限元模型除建立整個節(jié)點板件，還建立3倍桿件高度長度范圍桿件，以盡量減小桿件邊界失真對節(jié)點應(yīng)力的影響。鋼板采用SHELL63單元，中支點節(jié)點ANSYS有限元模型見圖3。

圖3 中支點節(jié)點ANSYS模型

支反力施加有兩種方式：一是在支座墊板范圍內(nèi)施加均布面荷載，約束模型其他位置；二是建立真實支座，約束施加在支座位置。計算發(fā)現(xiàn)，對于本節(jié)點，方式一由于沒有考慮支座剛度，節(jié)點板應(yīng)力分布更均勻，計算結(jié)果偏不安全，因此采用方式二施加支反力。支座采用SOLID45單元，支座頂板與節(jié)點底板之間建立接觸單元[1]，設(shè)置接觸單元只受壓不受拉，約束支座底板底面所有節(jié)點3個自由度，支座見圖4。

圖4 支座示意圖

各桿端作用荷載由總體MIDAS模型提取，MIDAS模型提值節(jié)點與ANSYS模型加載節(jié)點位置一致，本節(jié)點分析每個節(jié)點均提取6個分力，荷載轉(zhuǎn)換并施加到ANSYS模型步驟為：（1）調(diào)整ANSYS施加節(jié)點坐標(biāo)系與MIDAS提值單元相同。（2）若提值節(jié)點為MIDASI節(jié)點，將My正號、其他5個分力反號施加到ANSYS模型中；若提值節(jié)點為MIDASJ節(jié)點，將My反號、其他5個分力正號施加到ANSYS模型中。

荷載組合采用主力組合：恒載+汽車活載+人群荷載+汽車沖擊力[2]?；詈奢d考慮支反力最大、V撐跨中撐桿軸力最大和V撐邊跨撐桿軸力最大3種工況。經(jīng)對比，3種工況支座反力最大值與最小值相差0.7%，可僅選取其中一種工況做有限元分析。選取V撐中跨軸力最大工況，各桿端荷載值見表2。

表2 桿端荷載

圖5 桿件編號及坐標(biāo)系示意圖

模型采用如下方法自校：同時不考慮MIDAS和ANSYS模型中本節(jié)點自重，對比MIDAS和ANSYS模型支座反力，兩者完全一致?？紤]本節(jié)點自重后，由于MIDAS模型沒有精確建立節(jié)點板，結(jié)果稍有差異。

3.2 主要計算結(jié)果

本橋節(jié)點板受力最不利，控制設(shè)計，其最不利位置出現(xiàn)在支座順橋向邊緣。由于航空限高，兩側(cè)斜腹桿軸線與水平面夾角較小，桿件軸線交叉點與底板距離短，兩側(cè)斜腹板會按最短路徑傳力至支座兩側(cè)。計算發(fā)現(xiàn)，通過增設(shè)中腹板和增加節(jié)點板板厚能有效降低節(jié)點板應(yīng)力水平；通過將兩側(cè)斜桿腹板用橫隔板連接、增設(shè)底板順橋向加勁能在一定程度上降低節(jié)點板應(yīng)力水平。在3.1節(jié)荷載工況下，節(jié)點板、中腹板MISES應(yīng)力分布分別見圖6、圖7。另外，若無航空限高，向下加高節(jié)點板也能有效減小節(jié)點板應(yīng)力水平。

圖6 節(jié)點板MISES應(yīng)力圖（單位：MPa）

圖7 中腹板MISES應(yīng)力圖（單位：MPa）

本橋支座順橋向邊緣受力大，中間小，受力特點與節(jié)點板相應(yīng)。支座球面滑板采用改性超高分子量聚乙烯滑板，其允許壓應(yīng)力僅45MPa，其壓應(yīng)力圖見圖8。本橋最大壓應(yīng)力發(fā)生在球面滑板邊緣，為35.9MPa，小于允許值。

圖8 支座球面滑板壓應(yīng)力（單位：MPa）

4 結(jié)語

本文介紹了三官堂大橋中支點節(jié)點構(gòu)造設(shè)計和有限元計算方法，摘取了主要計算結(jié)果，通過計算結(jié)果說明此節(jié)點的設(shè)計安全、可靠。對于設(shè)計、分析該類節(jié)點，做如下總結(jié)：

（1）節(jié)點內(nèi)板件宜與桿件對應(yīng)，主要受力板件不宜截斷。

（2）對于本節(jié)點，通過增設(shè)中腹板和增加節(jié)點板板厚能有效降低節(jié)點板應(yīng)力水平；通過將兩側(cè)斜腹板用橫隔板連接、增設(shè)底板順橋向加勁，能在一定程度上降低節(jié)點板應(yīng)力水平。另外，若無航空限高，向下加高節(jié)點板也能有效減小節(jié)點板應(yīng)力水平。

（3）支座墊板尺寸較大時，應(yīng)采用一定措施，避免焊接時支座墊板脫空。

（4）支座剛度對有限元分析結(jié)果影響較大，為反應(yīng)節(jié)點真實受力情況，應(yīng)真實模擬支座。同時，若支座受力不均勻，球面滑板可能控制設(shè)計，應(yīng)引起重視。

（5）桿件長度宜取不小于3倍桿件高度范圍，以盡量減小桿件邊界失真對節(jié)點板應(yīng)力的擾動。

（6）MIDAS與ANSYS荷載轉(zhuǎn)換較復(fù)雜，可采用本文提供方法轉(zhuǎn)換并自校。