網狀吊桿系桿拱橋主拱吊點隔板應力擴散趨勢分析

姚寶文

[上海市政工程設計研究總院（集團）廣東有限公司，廣東 佛山 528000]

0 引言

近十年來，我國進入了基礎建設的迅猛發展時期。隨著橋梁跨徑的不斷加大，橋梁經濟指標的不斷優化，對于橋梁各個節點精細化分析的要求也越來越高。對于網狀吊桿系桿拱橋主拱吊點隔板這種受力復雜且應力集中的局部位置，其應力擴散情況控制著節點構造及板件的設計[1]。本文結合深汕大橋設計，通過對其主拱吊點隔板的有限元分析，總結本結構節點應力擴散趨勢，為工程設計積累經驗。

1 工程概況

深汕大橋是深汕大道擴建提升工程中的重要節點，主橋采取230 m 主跨1 跨跨越赤石河。主橋上部采用網狀吊桿鋼混組合梁拱橋結構，整幅設計，橋寬56 m，主拱拱肋中間設置，兩側設置車行道，車行道外側設置人行道，拱肋之間設置慢行系統。

深汕大橋主橋采用網狀吊桿鋼混組合梁拱橋，主橋理論跨徑為230 m，計算跨徑為227 m，主拱矢跨比為1/5.5。深汕大橋主橋總體布置見圖1。

圖1 深汕大橋主橋總體布置圖（單位：mm）

主橋采用網狀吊索體系，采用高疲勞應力幅環氧涂層鋼絞線拉索，兩端采用復合擠壓冷鑄錨，鋼絞線標準強度Ryb=1 860 MPa，吊桿型號為?15.2-43和?15.2-55。拉索的疲勞性能滿足應力上限0.4 fptk（fptk為斜拉索的標準抗拉強度），疲勞應力幅為400 MPa。

吊索與主梁的傾斜角度在48.1°～60.6°范圍內，吊索在主梁上的索距為7 m。吊索在拱上以吊耳銷接錨固，在主梁上設置張拉端，采用鋼錨箱形式錨固。全橋共60 根吊桿。

主拱吊桿錨固采用耳板銷接形式，耳板與隔板十字交叉，在隔板上開槽口，耳板與隔板的交叉長度不小于1.3 m。耳板采用變厚度，厚度從50 mm 變化到120 mm。主拱吊點隔板構造見圖2。

圖2 主拱吊點隔板構造圖（單位：mm）

2 計算條件

對于局部模型，首先應該準確模擬其邊界條件，主拱除了自身拱腳約束外，主要是受到風撐及拉索的作用；其次是準確模擬其荷載效應，主拱及其隔板的力的傳遞應該符合圣維南原理[2]。

2.1 荷載計算

從總體模型計算結果中可以看出，主拱主要承受壓力，拉索產生的彎矩非常小。正常使用狀態下作用標準組合的主拱彎矩圖、軸力圖見圖3、圖4，從模型中讀出的索力結果見表1。

圖3 正常使用狀態下作用標準組合的主拱彎矩（單位：kN·m）

圖4 正常使用狀態下作用標準組合的主拱軸力（單位：kN）

表1 索力計算結果 單位：kN

2.2 模型建立

采用Civil FEA 建立板單元模型，模型格柵密度為50 mm。考慮主拱腹板加勁對應力的有利影響，同時考慮吊點隔板加勁和人孔對應力擴算的不利影響。板單元模型消隱圖見圖5。

圖5 板單元模型消隱圖

2.3 吊耳板加載

建立了局部模型后，將索力轉化成吊耳板的均布力F，該均布力可以通過赫茲公式計算[3-4]。赫茲公式原理圖示見圖6。

圖6 赫茲公式原理圖示

接觸面半寬a 為：

吊耳板最大接觸應力σHmax為:

3 結果分析

3.1 吊耳板應力

吊耳板應力云圖見圖7。由圖7 可知，應力流主要通過跟耳板接觸的吊點隔板和主拱底板傳遞，其余板件基本不參與傳遞。吊耳板與隔板相交處沿豎向高度方向的應力變化曲線見圖8。

圖7 吊耳板應力云圖（單位:MP a）

圖8 吊耳板與隔板相交處沿豎向高度方向的應力分布圖

吊耳板在上段呈線性擴散趨勢，即越往高處應力越小，擴散（衰減）速率約為-1.7 MPa/100 mm（減小為負值，反之為正值）。吊耳板在隔板與主拱底板交界處應力較為復雜，應綜合考慮。

吊耳板在主拱底板交界沿橫向應力分布見圖9。

圖9 吊耳板在主拱底板交界沿橫向應力分布圖

吊耳板在主拱底板交界沿橫向應力分布基本對稱，主拱腹板和吊耳板加勁對應力擴散有較大影響。吊耳板總體應力水平較低，結構安全可靠。

3.2 吊點隔板應力

吊點隔板應力云圖見圖10。由圖10 可見，應力主要在隔板下部的吊耳板范圍傳遞，受到主拱底板、腹板及吊耳板的影響。

圖10 吊點隔板應力云圖（單位:MP a）

圖11 為隔板沿豎向高度方向的應力分布圖集。圖11 中：應力1 為隔板在吊耳板處沿高度方向的分布曲線；應力2 為隔板中心沿高度方向的應力分布曲線；應力3 為吊耳板相對隔板中心線對稱位置沿高度方向的應力分布曲線。

圖11 隔板沿豎向高度方向的應力分布圖集

由圖11 可見，吊點隔板范圍的應力呈線性擴散趨勢，規律明顯。但上下兩端受到人洞加勁及主拱底板的影響較大，特別是吊耳板頂端，隔板開洞對隔板應力影響很大。隔板總體應力水平較低，結構安全可靠。

4 結語

（1）從有限元分析結果可以推出，本工程的網狀吊桿系桿拱橋的吊耳及吊點隔板在應力傳遞中呈線性擴散趨勢。

（2）吊耳板及吊點隔板的應力傳遞受到厚板約束時，對應力傳遞影響較大。

（3）本工程吊耳板及吊點隔板應力滿足規范要求，結構安全可靠。