大跨鋼系桿拱橋拱腳節(jié)點(diǎn)受力及優(yōu)化分析

黃世平

摘要：文章結(jié)合大跨鋼下承式系桿拱橋施工實(shí)例，選取336m作為跨徑，對(duì)拱腳的局部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行受力分析，并進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算。通過有限元計(jì)算發(fā)現(xiàn)局部受力確實(shí)存在一些問題，并采取了一定的優(yōu)化方案進(jìn)行相關(guān)檢驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：拱腳節(jié)點(diǎn)的局部受力是由于構(gòu)造方式不好導(dǎo)致的，需要對(duì)支座和開洞布置進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化，同時(shí)，鋼板厚度也需要進(jìn)行改進(jìn)。通過驗(yàn)證優(yōu)化，拱橋拱腳的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)有了很大的提升空間，如針對(duì)系桿中腹板間距較大、系梁腹板不直等問題，具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：大跨鋼;拱橋拱腳節(jié)點(diǎn);受力分析;優(yōu)化

0 引言

大跨鋼下承式系桿拱橋主要由系桿、吊桿以及拱肋組成，是一種沒有推力的連接體系，具有很多優(yōu)點(diǎn)：靈活性的基礎(chǔ)變位以及容易進(jìn)行拼裝等。基于以上優(yōu)點(diǎn)，這種拱腳節(jié)點(diǎn)被采用的頻率越來越高，特別適用于地質(zhì)環(huán)境比較薄弱和空間受限的情況。本文采用的拱腳節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)受力傳力部分的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時(shí)承受著支座反力和系桿內(nèi)力以及錨固局部壓力的作用。作為一種三維空間結(jié)構(gòu)，首先考慮以桿系理論作為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中，拱腳結(jié)構(gòu)所處位置情況比較復(fù)雜，受力也不均勻，必須注重細(xì)部結(jié)構(gòu)。考慮到這種特殊的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和受力狀況，對(duì)其進(jìn)行受載分析后，發(fā)現(xiàn)其應(yīng)力分布狀況很難通過相關(guān)理論進(jìn)行精確分析，所以，本文通過使用有限元分析軟件ANSYS對(duì)其進(jìn)行局部受力分析，使用三向力對(duì)拱腳節(jié)點(diǎn)空間受力進(jìn)行規(guī)律分析，然后設(shè)計(jì)出節(jié)點(diǎn)優(yōu)化解決方案，使其更加合理。

1 工程概況

某大橋工程采取336m作為跨徑，橋梁總長(zhǎng)為349m，橋?qū)捈s45m，系梁主要由橫梁、兩邊箱以及橋面板組成，橋面板是正交異性。雙邊箱尺寸為2.5m×2.93m，中間梁高3.2m，橫梁之間的間距為3m。在橫橋處，由兩片高度為61m的拱肋組成，傾斜角為12°。在兩個(gè)拱肋之間分別設(shè)有間距為24m的12個(gè)橫撐。兩個(gè)不同吊索之間的間距為12m，一共有26對(duì)。整座橋一共設(shè)有8根系桿，每個(gè)邊箱4根。具體總布置圖如圖1和圖2所示。

2 拱腳節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

整座大橋拱腳節(jié)點(diǎn)一共有18.95m長(zhǎng)，拱肋頂板高7m，厚4.5cm，底板厚5cm，腹板厚3.5cm。處于雙邊箱位置的系梁厚度約為1.5～3cm之間，腹板厚1.6～3cm，底板厚3cm[1]。

為了保證拱腳節(jié)點(diǎn)處能夠比較均勻地傳力，要保證拱肋和系梁邊箱的腹板一致，前者為圓柱形，這種造型會(huì)造成網(wǎng)格劃分過密，會(huì)直接影響計(jì)算的精確程度。所以，在本文中，把拱肋等效為方柱，可以大大簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果，所有的狀況都按照實(shí)際模擬，后者采取12°傾斜角。因?yàn)榭鐝奖容^寬，所以相對(duì)普通系桿拱橋而言，系梁腹板間距比較大。為了保證豎直力能夠利用腹板傳送到支座，把支座設(shè)計(jì)在系梁底板中間位置，并設(shè)置4.5cm的橫隔板進(jìn)行支撐。整個(gè)內(nèi)力一般通過以下方式進(jìn)行傳送：水平力通過焊縫傳送到系桿和系梁，豎直分力首先利用腹板傳送到橫隔板，然后再傳送到支座。一般情況下，會(huì)在腹板之間加一個(gè)中腹板來保證隔板和支撐板之間的受力平衡均勻。拱腳節(jié)點(diǎn)如圖3和圖4所示。

3 有限元計(jì)算分析

因?yàn)檎鶚蛐枰M(jìn)行系桿和吊索錨固，需要對(duì)橫梁等多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行細(xì)致分析，所以采取子模型法是一個(gè)比較合適的方法。首先大體設(shè)計(jì)一個(gè)整座橋的板殼單元模型，其尺寸為1m，然后再進(jìn)行細(xì)化，分別得到不同部分的子模型[2]。其中，在進(jìn)行計(jì)算的過程中，為了減少誤差，需要對(duì)一些邊界條件進(jìn)行整體層面施加。為了準(zhǔn)確模擬整個(gè)支撐效應(yīng)，使用零反力方法進(jìn)行模擬。具體為：在約束中心點(diǎn)，增加豎向的反作用力于底板節(jié)點(diǎn)并不斷調(diào)整此力的大小，保證支座中心點(diǎn)約束力為零，此時(shí)把支座的受力狀況視為實(shí)際受力情況。對(duì)于整體結(jié)構(gòu)模擬分為兩種情況：（1）通過重力加速度;（2）通過車道和人群載荷等對(duì)橋面施加，可以得到比較均勻的負(fù)載方式。

通過計(jì)算分析可知，腹板應(yīng)力逐步匯集于支座隔板，導(dǎo)致兩者連接區(qū)域應(yīng)力相對(duì)來說比較大，與一開始的力傳遞設(shè)計(jì)理念基本相符合。其中，腹板在梁端一方的力也增大，主要是由于力的傳遞路徑導(dǎo)致產(chǎn)生了豎向剪應(yīng)力，并接受來自系桿的水平力，使兩者共同作用而導(dǎo)致[3]。

通過分析，針對(duì)拱腳節(jié)點(diǎn)主要發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)問題：

（1）支座的橫隔板和系梁拱肋的腹板的應(yīng)力最大可達(dá)346MPa左右，可見數(shù)值比較大，與一開始的設(shè)計(jì)值偏差比較大，并超出鋼材強(qiáng)度數(shù)值。這主要是因?yàn)楣袄叩膬?nèi)力是利用隔板來到達(dá)支座的，整體內(nèi)力會(huì)聚集在支座隔板處。另外，整座橋只在系梁內(nèi)設(shè)置了隔板，而其他地方?jīng)]有設(shè)置，導(dǎo)致腹板在與隔板和頂板的交叉位置處剛度變化比較大，在很大程度上會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，從而超出設(shè)計(jì)值。

（2）腹板的兩側(cè)受力不均勻，其中，外側(cè)的大于內(nèi)側(cè)的。這主要是由于腹板在設(shè)計(jì)的時(shí)候具有一定的傾斜角度，而支座處于整個(gè)底板的中間，整體內(nèi)力會(huì)通過外面的腹板先傳給隔板，然后再傳給支座，整體內(nèi)力會(huì)利用最短的路徑進(jìn)行傳送，從而導(dǎo)致腹板整體受力不均勻。

（3）由于隔板是人為進(jìn)行開口的，很容易導(dǎo)致應(yīng)力集中的情況。另外，內(nèi)力首先通過側(cè)腹板進(jìn)行傳送，這樣就很容易增大隔板和外側(cè)腹板連接的面積，從而會(huì)使隔板應(yīng)力超出鋼材強(qiáng)度值。

4 拱腳節(jié)點(diǎn)受力優(yōu)化

通過對(duì)拱腳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行受力分析，針對(duì)其出現(xiàn)的問題，主要通過以下四種方案進(jìn)行解決：

（1）方案1：把腹板設(shè)置在系梁到拱肋內(nèi)部一段距離，不再設(shè)置外側(cè)腹板的開口。使用這種方法，可以把腹板提高，拱肋內(nèi)應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)增大，并通過中部腹板逐步進(jìn)行傳送，降低了外側(cè)腹板的承受力，通過去除開口，減少了外側(cè)腹板的受力。

（2）方案2：把加勁板和腹板從水平改成豎直，同時(shí)減少中心線和支座橫向的位移35cm，不再設(shè)置隔板開口。使用這種方法，可以加大應(yīng)力在豎直方向的傳輸效力。此外，還可以保證支座內(nèi)側(cè)移動(dòng)，使得外側(cè)腹板受力更加均勻。

（3）方案3：把隔板逐步延長(zhǎng)至拱肋頂板。使用這種方法，不但可以降低隔板的整體受力情況，還可以加大隔板和腹板之間的連接距離，降低隔板的豎向高度。另外，大大增強(qiáng)了腹板剛度，避免了連接處剛度變化帶來的負(fù)面影響，減少了腹板的局部受力。

（4）方案4：聯(lián)合方案2和方案3，然后對(duì)相應(yīng)模型進(jìn)行整體計(jì)算，得到的板件受力情況如表1所示。

通過計(jì)算分析，得到以下結(jié)論：

（1）利用方案1進(jìn)行改進(jìn)以后，腹板和中腹板受力減少，然而內(nèi)側(cè)腹板比外側(cè)腹板卻增加了很多，沒有改善腹板受力不均勻的狀況。此外，相對(duì)于鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，支座隔板受力并沒有得到改善[4]。

（2）利用方案2進(jìn)行改進(jìn)以后，內(nèi)外側(cè)腹板的受力情況基本均勻，中腹板受力也降低了。另外，因?yàn)橹ё鶄髁πЯ︼@著增加，所以相應(yīng)隔板受力情況也逐步下降。

（3）利用方案3進(jìn)行改進(jìn)以后，隔板整體受力情況改善最為明顯，同時(shí)也降低了腹板受力情況，改善了腹板整體的受力水平。

（4）利用方案4進(jìn)行改進(jìn)以后，同時(shí)采取方案2和方案3的優(yōu)點(diǎn)，保證了腹板應(yīng)力降到了210MPa左右，使腹板的受力基本平衡。與此同時(shí)，支座隔板的應(yīng)力也減少到245MPa，明顯低于最初設(shè)計(jì)值。

通過對(duì)比以上四種方案發(fā)現(xiàn)，采取方案4可以保證拱腳節(jié)點(diǎn)達(dá)到最優(yōu)的規(guī)劃設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語

（1）本文采取子模型法進(jìn)行有限元分析，這種方式具有一般性，不但克服了荷載施加的難度，降低了一些邊界條件帶來的負(fù)面影響，同時(shí)大大提高了結(jié)果的精度。通常，采取多個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行受力分析，使用這種有限元分析計(jì)算比較簡(jiǎn)便。

（2）對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)系桿拱橋，如果要求拱肋和腹板帶有一定傾斜角度的情況，需要豎直放置將支座加勁，把支座往內(nèi)側(cè)橫向偏移一些距離，從而能夠保證腹板整體受力平衡[5]。

（3）如果腹板之間的間距比較大，使用隔板來傳送豎直方向的力。為了降低隔板和系梁之間的剛度，可以把隔板逐步延長(zhǎng)至拱肋頂板，從而降低局部應(yīng)力情況。

（4）使用本模型設(shè)計(jì)的拱腳節(jié)點(diǎn)，主拉應(yīng)力都比較小，不需要再通過鋼筋和預(yù)應(yīng)力進(jìn)行加強(qiáng)，只需對(duì)主拉應(yīng)力比較大的地方進(jìn)行稍微處理。此外，拱腳節(jié)點(diǎn)的尾部主拉應(yīng)力相對(duì)來說比較強(qiáng)，因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候要非常謹(jǐn)慎。

（5）拱肋和拱腳的連接點(diǎn)的壓應(yīng)力比較大，主要是由于泊松效應(yīng)的緣故，所以一定要采取相應(yīng)的措施進(jìn)行避免。另外，在設(shè)計(jì)過程中也不能過分追求造型完美，可能會(huì)造成局部應(yīng)力過大的情況，使拱腳節(jié)點(diǎn)遭到破壞。

參考文獻(xiàn)：

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