大跨度鋼桁架拱橋拱梁結合關鍵節(jié)點設計

顧曉毅，袁建兵

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

鋼桁架拱橋具有古典、厚重的韻味，在承載文化內涵和景觀形象的城市橋梁中，應用較為廣泛。根據系梁、鋼拱的剛度比例關系，鋼桁架拱橋主要分為系桿拱（柔性系梁剛性拱）、洛澤拱（剛性系梁剛性拱）和蘭格爾拱（剛性系梁柔性拱）3種；根據有無水平推力，鋼桁架拱橋又可分為組合體系拱橋和簡單體系拱橋[1]。無論哪種體系，鋼桁架拱橋的拱梁結合部是受力的關鍵節(jié)點。

圖1 、圖2為某3跨連續(xù)下承式鋼桁架拱橋，主橋跨徑布置48m+180m+48m，拱肋矢跨比1/5，橋寬43.6m；柔性鋼系梁采用雙邊主梁，2片系梁通過鋼橫梁、預制鋼筋混凝土橋面板形成框架。本文主要介紹該橋拱梁結合關鍵節(jié)點的設計思路，并以有限元數(shù)值分析驗證設計的合理性。

圖1 鋼桁架拱橋橫斷面圖（單位：mm）

圖2 鋼桁架拱橋立面圖（單位：mm）

2 拱梁結合關鍵節(jié)點設計

2.1 中墩處主梁是否連續(xù)

中墩處主梁可采用“連續(xù)”和“斷開”2種方案。

主梁采用中墩“連續(xù)”的方案，中跨主梁和拱腳結合處不設置伸縮縫，采用固結連續(xù)。在恒載作用下，拱肋下弦拱腳處兩側主梁負彎矩可以調整為相當，這樣拱肋下弦拱腳處恒載產生的彎矩值可控制在較小的范圍內，使得拱肋下弦拱腳處基本處于軸向受壓狀態(tài)，對結構受力有利。同時在整個276m長的主橋取消2條伸縮縫，有利于提高行車的舒適性，便于結構的維護和養(yǎng)護。

主梁采用中墩“斷開”的方案，中跨主梁成簡支的索支承結構，通過主梁吊桿將主梁重力直接傳到拱肋，拱肋的水平推力通過水平拉索來平衡，受力明確。但是由于采用桁架拱肋，拱肋的下弦拱腳和邊跨主梁相固結，邊跨主梁抗彎剛度較大，拱肋下弦抗彎剛度較小，因此固結點處邊跨主梁恒載負彎矩會直接傳遞到拱肋下弦拱腳，使得拱肋下弦拱腳處產生較大的恒載彎矩，對結構受力不利。同時在整個276m長的主橋存在4條伸縮縫，影響行車的舒適性。

2種方案在成橋恒載作用下的受力差異如表1所示[2]。

綜上分析，在主梁和拱腳結合處不設置伸縮縫，按主梁“連續(xù)”方案設計。

表1 主梁和拱腳結合處關鍵斷面受力比較[2]

2.2 中墩拱梁結合部處理

鋼桁架拱下弦、主梁結合部是主橋受力體系的重要節(jié)點。一方面下弦拱肋內力通過該節(jié)點傳遞至主梁，拱梁產生的豎向荷載通過該節(jié)點傳遞至支座，同時，該節(jié)點還需承受主梁的縱向彎矩和中橫梁產生的橫向彎矩，受力情況復雜。

拱腳結合部有2種處理方案：方案一是保持主梁連續(xù)，拱肋與主梁頂板等強焊接，并在主梁內部設置足夠剛強的支承隔板與拱肋傳力板件對牢，該方案受力模式較明確并使構造處理上較為簡單；方案二是保持拱肋連續(xù)穿過主梁并與主梁底緣焊接，為保證拱肋連續(xù)，主梁頂板斷開并與拱腳頂、底板等強焊接。

從受力機理上考慮，方案二可以保證拱肋的連貫性，并且保證拱腳結合部的整體性，但由于主梁在拱腳處縱向彎矩為最大，主梁頂板承受的拉應力很大，頂板斷開及拱肋焊接將嚴重影響其疲勞強度；另外，拱肋伸入主梁內部，將使主梁的支承隔板、加勁肋的設置非常困難，引起施工困難并使焊接質量難以保證。因此設計中考慮采用方案一（見圖3）。

圖3 中墩拱梁結合部處理方案（單位：mm）

在構造處理上，為了保證節(jié)點的整體剛度和強度要求，桁架下弦拱趾與拱腳主梁采用全熔透等強焊接的連接方式，在拱肋內部設置人孔以便于施工作業(yè)；為了使桁架拱肋的內力直接傳遞到主梁上，在拱腳與主梁交接處設置有相應的支承隔板，同時使拱肋、鋼主梁的中心線和支座支承力線相交于同一點。

2.3 邊墩拱梁結合部處理

該節(jié)點為鋼拱肋上弦桿、鋼主梁和水平拉索錨固的交匯區(qū)域，在節(jié)點設計中要求系梁和拱肋端部連接成整體，形成一個強大的剛性節(jié)點。

在受力機理上，結合部尾端錨固4根水平拉索，每根水平拉索的自身錨固荷載達到800t，水平拉索強大的水平拉力通過結合部在主梁、拱肋和橋面板之間分配和傳遞，結合部拱肋與主梁之間的變形體現(xiàn)為剪切變形與彎曲變形的疊加。

在構造設計上，主要考慮結合部的整體剛度和水平拉索錨固端的局部構造問題。拱肋尾端與主梁結合部的整體剛度對拱肋的變形控制和穩(wěn)定至關重要，在設計中設置沿結合部高度方向貫通的整體隔板以增強剛度；另外，考慮到拱肋的水平推力在結合部主要體現(xiàn)為拱肋與主梁之間的剪力，因此拱肋尾端與主梁結合部采用了整體腹板，以增強其整體性、可靠性。邊墩拱梁結合部設計見圖4。

圖4 邊墩拱梁結合部設計（單位：mm）

3 有限元分析

結合部節(jié)點屬于多向受力體系，應力狀態(tài)復雜。考慮到空間梁、桿單元對全橋內力的把握具有相當高的精度，板殼單元又能保證局部應力的真實分布特征，因此結合部的應力分析采用混合單元法來模擬，即在拱腳結合部采用殼單元建立局部模型，而其余節(jié)段采用梁或桿單元建立全橋整體模型，并通過交接面梁、殼單元節(jié)點的位移約束方程來實現(xiàn)整體與局部相協(xié)調。

混合模型在梁單元和殼單元結合部建立交接面的位移協(xié)調方程，位移協(xié)調方程采取剛性截面轉動變形的位移模式。

有限元模擬分析時應用與實際施工過程一致的前進分析方法，對各施工、運營階段的荷載線性效應進行逐步累加，最終得到運營狀態(tài)的內力和變形狀況。

混合有限元分析模型見圖5。

圖5 混合有限元分析模型

根據實際的施工工序，模型計算受力工況見表2。

表2 計算受力工況

各荷載工況下，拱腳、尾端結合部最大應力分布見表3、表4。

表3 拱腳結合部最大應力分布 單位：MPa

表4 尾端結合部最大應力分布 單位：MPa

模型計算結果表明，結合部節(jié)點中各階段應力均符合《公路鋼結構橋梁設計規(guī)范》（JTGD64—2015）要求，節(jié)點設計安全可靠。

4 結語

鋼桁架拱橋的拱梁結合部是全橋受力的關鍵節(jié)點。在本工程中，遵循結構優(yōu)化和合理構造的設計原則，使節(jié)點的強度、剛度和耐久性達到理想狀態(tài)，并以有限元數(shù)值分析驗證了設計的合理性。該大橋于2009年順利建成通車，施工和運營中各項荷載檢測試驗表明，大橋性能優(yōu)越，社會評價良好。