節點連接剛度對鋼桁梁拱橋受力性能影響分析

姚 莉

1 背景

廣東某特大橋主跨111 m+2×220 m+111 m，主桁采用焊接整體節點，最大節點板焊56 mm，弦桿及拱肋在節點外四面拼接，腹桿與節點大多采用插入式連接，主桁桿件與節點之間采用M30高強螺栓連接，箱形桿件下水平板需設置手孔，手孔位于拼接縫中心處，寬300 mm，箱形吊桿與主桁節點采用四面對接的方式連接。節點剛接指節點完全不轉動，節點不但能承擔剪力、軸力，還具有足夠抗彎剛度，在彎矩作用下變形很小。而節點鉸接則指節點能夠承擔剪力和軸力，但不能承擔彎矩。考慮到節點實際設計及施工方案，節點的剛度可能介于兩者之間，形成半剛性節點，因此分析節點連接剛度對橋梁受力性能影響具有重要意義。

2 模型建立

考慮到結構的連接形式，在施工過程中，桿件的連接剛度是介于剛性連接及鉸接兩者之間，為了分析結構受力的安全性，對桿件的連接剛度從兩個方面進行分析:

1)分析桿件剛接對結構受力性能的影響時，全橋桿件采用剛性連接;

2)分析節點鉸接對結構受力性能的影響時，主桁截面采用剛性連接，釋放腹桿、橫梁、橫肋、橫聯和平聯桿件桿端約束，具體見圖1。

圖1 全橋模型

3 結果分析

3.1 邊跨施工完成階段

1)位移結果分析。

邊跨施工完成階段結構在自重作用下最大變形值見表1，圖2，圖3。從表1可知，在節點剛接和鉸接兩種情況下，縱橋向最大位移比值相差0.8%，豎向最大位移比值相差3.2%。

表1 邊跨施工完成階段結構最大變形值

2)應力結果分析。

結構在自重作用下的應力情況見圖4，圖5。由圖4，圖5可見，當結構剛接時，桿件最大應力為165 MPa，當結構鉸接時，最大應力為 163.5 MPa。

對邊跨施工完成工況在自重作用下各方向變形值和梁單元最大應力值分析可見:當節點在剛接及鉸接兩種情況下，縱向及豎向兩個方向結構變形變化值相差很小，變形相差最大為豎向約3.2%;梁單元的最大應力變化相差很小為0.9%。

圖2 節點剛接結構的撓度（一）（單位:mm）

圖3 節點鉸接結構的撓度（一）（單位:mm）

圖4 節點剛接梁單元應力圖（一）（單位:MPa）

圖5 節點鉸接梁單元應力圖（一）（單位:MPa）

3.2 中跨施工完成階段

1)位移結果分析。

中跨施工完成階段結構在自重作用下最大變形值見表2，圖6，圖7。從表2可知，在節點剛接和鉸接兩種情況下，縱橋向最大位移比值相差0.8%，豎向最大位移比值相差1.5%。

表2 中跨施工完成階段結構最大變形值

2)應力結果分析。

結構在自重作用下的應力情況見圖8，圖9。由圖8，圖9可見，當結構剛接時，桿件最大應力為216 MPa，當結構鉸接時，最大應力為220 MPa。

對中跨施工完成工況在自重作用下各方向變形值和梁單元最大應力值分析可見:當節點在剛接及鉸接兩種情況下，縱向及豎向兩個方向結構變形變化值相差很小，變形相差最大為豎向約1.5%;梁單元的最大應力變化相差很小為1.5%。

圖6 節點剛接結構的撓度（二）（單位:mm）

圖7 節點鉸接結構的撓度（二）（單位:mm）

圖8 節點剛接梁單元應力圖（二）（單位:MPa）

圖9 節點鉸接梁單元應力圖（二）（單位:MPa）

3.3 成橋階段

1)位移結果分析。

成橋階段結構在自重作用下最大變形值見表3，圖10，圖11。從表3可知，在節點剛接和鉸接兩種情況下，縱橋向最大位移比值相差6.6%，豎向最大位移比值相差15.9%。

表3 成橋階段結構最大變形值

圖10 節點剛接結構的撓度（三）（單位:mm）

2)應力結果分析。

結構在自重和風荷載作用下的應力情況見圖12，圖13。由圖12，圖13可見，當結構剛接時，桿件最大應力為119 MPa，當結構鉸接時，最大應力為109 MPa。

圖11 節點鉸接結構的撓度（三）（單位:mm）

圖12 節點剛接梁單元應力圖（三）（單位:MPa）

圖13 節點鉸接梁單元應力圖（三）（單位:MPa）

對成橋工況在自重作用下各方向變形值和梁單元最大應力值分析可見:當節點在剛接及鉸接兩種情況下，縱向及豎向兩個方向結構變形變化值相差很小，變形相差最大為豎向約15.9%;梁單元的最大應力變化相差很小為8.3%。

4 結語

本文利用有限元軟件建立了某鋼桁拱橋模型，采用“釋放梁單元約束”技術分別研究了節點剛接和鉸接時結構受力性能的變化規律。

分析發現:在邊跨和中跨施工過程中，節點連接剛度對沿橋方向和豎向位移影響較小;節點連接剛度對梁單元最大應力影響均較小;在成橋之后，節點連接剛度對結構豎向位移及沿橋縱向影響顯著，分別為15.9%及6.6%，對梁單元最大應力亦有一定影響，梁單元的最大應力變化達到8.3%。

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