兩鉸鋼結(jié)構(gòu)拱橋大噸位鉸支座設(shè)計與受力分析

任清順，鄭愛華，王美馨

（西南交大土木工程設(shè)計有限公司，四川 成都610031）

0 引言

橋梁鉸支座通常用于橋梁或結(jié)構(gòu)上需釋放彎矩發(fā)生轉(zhuǎn)動的地方。另外，在拱橋中也有應(yīng)用。昆山玉峰大橋便采用了完全式的拱鉸結(jié)構(gòu),每個拱鉸最大軸向力為24 000 kN[6]。成都天保灣大橋總長880 m，主橋為230 m跨的鋼桁架兩鉸拱橋，西岸引橋全長207 m，東岸引橋全長152 m，橋型布置如圖1所示。主梁采用縱橫梁體系，主梁全寬43.5 m，高3.0 m，縱梁中心間距26.5 m。主拱采用桁架結(jié)構(gòu)，由兩片桁架和橫向連接構(gòu)成。下弦桿計算跨度216 m，矢高48 m，矢跨比1/4.5，拱軸線為二次拋物線。上弦桿計算跨度216 m，矢高35 m，矢跨比1/7.25，其線形亦采用二次拋物線。主拱桁架跨中桁高7.75 m，根部桁高19 m。主拱設(shè)4個鉸支座結(jié)構(gòu)，每個拱鉸將承受55 000 kN的軸向力。如此大噸位的拱鉸支座在拱橋上的應(yīng)用尚屬首次。

圖1 天保灣大橋橋型布置圖（單位：cm）

1 鉸支座構(gòu)造及工作原理

1.1 支座構(gòu)造

鉸支座結(jié)構(gòu)由兩個相互協(xié)調(diào)的半圓形結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)滑動套構(gòu)成。鉸支座由上搖、下?lián)u、滑動套、端面板、止動板、預(yù)埋鋼板等組件構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 鉸支座構(gòu)造圖

1.2 鉸支座工作原理和傳力途徑

拱鉸支座結(jié)構(gòu)通過上下?lián)u與滑動套的微小摩擦滑動實現(xiàn)拱腳彎矩的釋放，而相對滑動本身需要克服一定的摩擦力。該摩擦力形成扭矩對拱腳形成一定的抗彎能力，因此抗彎能力的大小直接影響到拱腳彎矩的釋放、桁架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。因此，活動鉸支座的性能是影響橋梁結(jié)構(gòu)受力的重中之重，也是橋梁結(jié)構(gòu)壽命關(guān)鍵中的關(guān)鍵。

端面板通過螺栓與下?lián)u連接，起到橫向限位和抗震的作用。止動板通過螺栓與下?lián)u連接，在鉸結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動的過程中起到限制滑動套滑出下?lián)u的作用，同時防止塵埃顆粒進入圓弧軸面內(nèi)部影響鉸支座的轉(zhuǎn)動性能。

主拱桁架的力通過鉸支連接座傳遞給鉸結(jié)構(gòu)。鉸結(jié)構(gòu)在軸向荷載的作用下,支座的傳力途徑為:上搖→滑動套→下?lián)u→預(yù)埋鋼板→混凝土拱座。鉸結(jié)構(gòu)在橫向水平荷載作用下，支座的傳力途徑為：上搖→滑動套→下?lián)u→預(yù)埋鋼板→混凝土拱座。鉸結(jié)構(gòu)在地震水平荷載作用下,支座的傳力途徑為：混凝土拱座→預(yù)埋鋼板→下?lián)u→端面板→上搖。各傳力途徑清晰明確。

2 拱鉸支座材質(zhì)選取與主要技術(shù)參數(shù)

為了滿足構(gòu)件的安全、耐久、適用、經(jīng)濟等原則[1]，拱鉸上搖、下?lián)u結(jié)構(gòu)均采ZG310-570鑄鋼。抗拉、抗壓和抗彎強度設(shè)計值為225 MPa，抗剪強度設(shè)計值為145 MPa。鉸軸緊密接觸時，徑向受壓強度設(shè)計值為125 MPa，彈性模量為E=2.06×105MPa，線膨脹系數(shù)為1.2×10-5/C[2]。

滑動套采用高力黃銅：CuZn25Al6Fe3Mn3,密度8.2g/cm3,線膨脹系數(shù)（1.6～2.0）×10-5/C,導(dǎo)熱系數(shù)38～55W/（mk），抗壓強度755 MPa，沖擊韌性400～500 kJ/m3，硬度210HB，彈性系數(shù)100～140 kN/mm2，延伸率12%，摩擦系數(shù)（油潤滑）為0.03。

鉸結(jié)構(gòu)設(shè)計轉(zhuǎn)角0.01 rad，設(shè)計橫橋向位移量為±10 mm。鉸設(shè)計軸向承載力55 000 kN，橫橋向承載力2 000 kN.

3 拱鉸尺寸擬定與受力計算分析

3.1 設(shè)計荷載

根據(jù)總體計算取最不利荷載工況的支座反力，作為拱鉸支座的設(shè)計荷載，見表1。

表1 最不利荷載工況下拱鉸處最大軸力和彎矩

3.2 鉸支座尺寸擬定

根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》（JTG D64—2015），由于拱鉸上搖、下?lián)u、滑動套為同心圓柱面體，故鉸結(jié)構(gòu)屬于鉸軸式的圓柱形樞軸。當兩個相同半徑的圓柱形弧面自由接觸的中心角α不小于90時，其承壓應(yīng)力σ應(yīng)按下式計算：

式中：d為樞軸直徑，mm；l為樞軸縱向接觸面長度，mm；R為支反力。

已知R=55 082.98 kN，根據(jù)桁架和構(gòu)造確定l=1 200 mm，得出在不同直徑d下的承壓應(yīng)力，見表2。

表2 不同圓弧直徑下的應(yīng)力

鑄鋼ZG310-570抗拉、抗壓和抗彎強度設(shè)計值為225 MPa。考慮到鉸結(jié)構(gòu)還受彎矩和扭矩的影響，綜合結(jié)構(gòu)安全、可靠、美觀和一定的安全儲備，在僅考慮軸向力的初步估算條件下，選取安全系數(shù)n=2.0來選取樞軸的直徑，σ=225/2.0=112.5 MPa，故選取d=900 mm，對應(yīng)半徑r=450 mm作為鉸軸上搖的半徑。以此來確定鉸軸上下?lián)u的半徑。由于滑動套的厚度為50 mm，故下?lián)u的柱面半徑為500 mm.

3.3 仿真分析

3.3.1 有限元建模

利用大型有限元計算軟件ANSYS 14.5對拱鉸支座結(jié)構(gòu)受力行為進行研究。本設(shè)計中主拱肋的拱鉸承壓面是由兩個半徑相同的圓柱形弧面組成的，且兩個弧面緊密貼合在一起，其受力分析屬于接觸問題。考慮到實際接觸情況，以及材料的彈性和塑性變形，實際上的承壓面為面面接觸。

采用SOLID95實體單元建立實體模型。有限元模型除接觸面部分實體采用映射網(wǎng)格劃分外，其余實體均采用自由網(wǎng)格劃分。接觸面部分單元劃分形狀為六面體，其余部分單元均采用四面體。劃分網(wǎng)格后的有限元模型，如圖3所示。

圖3 鉸有限元模型

3.3.2 結(jié)構(gòu)荷載和邊界條件

拱鉸是從整體模型分離出的局部模型，邊界條件需要保持局部模型的穩(wěn)定性和整體模型的一致性。固結(jié)拱鉸下?lián)u底板，由于端面板在模型中未考慮，故可約束橫橋向Y的位移。拱鉸的重力加速度為豎直向下9.81 m/s2。施加相應(yīng)的荷載（軸力、彎矩）。

3.3.3 求解設(shè)置

本計算為非線性接觸分析問題，設(shè)置初始滲透容差為2 mm，接觸剛度相對值設(shè)為0.1。求解采用非對稱NR法。在求解過程中需要激活線性搜索和自動時間步長，并設(shè)最小步長為5，最大步長為200。

3.3.4 有限元計算結(jié)果

計算結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 拱鉸Von Mis e s應(yīng)力云圖1（單位：MP a）

圖6 滑動套接觸壓力云圖（單位：MP a）

由圖4可知，拱鉸整體應(yīng)力過渡平滑，最大屈服應(yīng)力為207 MPa，小于材料強度設(shè)計值，且具有較大富裕量。

由圖5可知，拱鉸應(yīng)力超過100 MPa部分（其體積約占模型體積的2.3%）位于拱鉸上搖構(gòu)造尺寸變化處和拱鉸上下?lián)u接觸的橫向邊緣位置。此處主要是應(yīng)力集中引起所致，制造施工時通過圓滑過渡可消除。

圖5 拱鉸Von Mis e s應(yīng)力云圖2（屈服應(yīng)力超過100 MP a的區(qū)域：圖中著色部分）（單位：MP a）

由圖6可知，滑動套應(yīng)力呈現(xiàn)出橫橋向大小不均的結(jié)果，主要是軸向力與彎矩、扭矩的組合引起的受力不均所致。其最大壓應(yīng)力為104.6 MPa，小于材料強度設(shè)計值，且具有較大富裕量。

4 拱鉸耐久性設(shè)計

為了確保鉸結(jié)構(gòu)的耐久性，外在鉸軸面上采用鍍硬鉻厚度不小于50 um，并拋光處理。其余表面涂裝均采用特質(zhì)環(huán)氧富鋅防銹底漆二道，干膜厚度為80 um。中間漆采用云鐵環(huán)氧漆一道，干膜厚度為40 um。面漆采用氟碳面漆二道，干膜厚度為70 um。總干膜厚度不低于190 um。為防止顆粒粉塵等雜物進入拱鉸結(jié)構(gòu)軸面，進而影響鉸結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動性能，在鉸結(jié)構(gòu)的外部設(shè)置防護罩。滑動面采用高力黃銅，灌注潤滑油。

5 結(jié) 語

（1）通過對鉸支座結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計分析和傳力分析，得出鉸結(jié)構(gòu)受力、傳力清晰明確。

（2）通過對鉸結(jié)構(gòu)的有限元計算分析，在最不利荷載組合工況作用下，拱鉸出現(xiàn)應(yīng)力集中，集中應(yīng)力達到207 MPa。除應(yīng)力集中處，外拱鉸其他區(qū)域的應(yīng)力均小于100 MPa，并且周圍區(qū)域應(yīng)力水平迅速降低，大部分區(qū)域應(yīng)力在80 MPa以下。滑動套應(yīng)力均最大為104.6 MPa，滿足設(shè)計受力要求。

（3）鉸結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，同時滿足其使用性能要求，因此，采用將這種鉸結(jié)構(gòu)用作特大跨徑鋼桁架拱橋的拱腳與拱座的連接是可行的。

（4）銅基自潤滑耐磨材料COB050在鉸支座上的首次應(yīng)用，為以后這一類型的支座設(shè)計開創(chuàng)了一個新的思路。