成都新建五岔子大橋梁墩節點優化設計

鄭愛華，趙 彬，李 科，王美馨

（1.四川西南交大土木工程設計有限公司，四川 成都 610031；2.西南交通大學土木工程學院，四川 成都 610031）

1 工程概況

成都新建五岔子大橋位于該市高新區南部園區，西自江灘公園起，跨越紅星路南延線、府河、熊家橋路向東接入公濟橋路。未來錦江將改造為旅游目的地，休閑人群通行需求大，因而對該橋的景觀要求很高。2015年9月，四川省建筑設計研究院以“莫比烏斯環”為設計靈感的方案在全球方案征集中中標。該方案由兩座橋組成為無窮大的符號，形成一個無限循環（見圖1），以彰顯五岔子大橋所在的高新片區無限上升的發展可能。四川西南交大土木工程設計有限公司據此方案完成了橋梁結構的施工圖設計。

圖1 橋位平面圖

五岔子大橋采用鋼結構，分兩幅橋進行設計，上游橋為主橋，下游橋為副橋，主、副橋間通過連接通道相接。為確保與中標方案外觀嚴格一致，結構各設計外輪廓曲線均通過樣條曲線擬合而成，梁體寬度、高度變化較大。主橋第2聯為4跨V型墩連續剛構橋，主橋橋型布置圖見圖2。

圖2 主橋橋型布置圖（單位：m）

2 Z4X1梁墩節點設計

本橋V型墩的兩肢采用箱型截面，下端固結于承臺頂面，上端與鋼箱梁剛接，其梁墩節點構造異型、受力復雜。方案設計階段Z4X1節點附近的斷面圖見圖3（斷面位置見圖2）。經簡單計算后發現，該節點局部區域應力偏大，應進一步優化設計以確保安全。

圖3 節點主要斷面圖（單位：mm）

國內外已建成的混凝土斜腿剛構橋較多，其墩梁節點的板較厚，上下板件之間屬于面傳力，一般不存在局部失穩問題，還可以通過合理布置預應力鋼筋來減小混凝土拉應力[1-2]。鋼結構的墩梁節點尚不多見[3-4]。吳睿麒等[5]對某鋼結構連續剛構橋V型墩局部進行了受力分析，計算顯示該橋在斜腿頂部底板倒角處的各板件存在局部應力較大的現象，并就梁墩節點給出了增加斜腿截面加勁數量的設計建議。

筆者對梁墩節點各構件截面特征和力流傳遞規律進行分析后發現，本橋斜墩的斷面形狀扁平，其腹板（含加勁肋）在整個斷面中所占比例僅為16.4%，而上部豎向荷載通過與梁體腹板對齊的斜墩腹板進行傳遞，顯然是最直接的傳力路徑，這意味著梁墩腹板會有應力集中。為此，擬定了以下兩套設計優化方案。

（1）方案A——為了降低必定集中的局部應力，設計中常用的一種做法就是增加板厚，即將圖3（a）中的N1板厚調整為34 mm。

（2）方案B——主梁和斜墩局部區域增設兩道厚24 mm次腹板（見圖4中NF1和NF2），以便分擔主腹板的荷載，同時減小主梁底板和斜墩翼緣板的區格尺寸，從而提高局部穩定性，并減小主梁頂底板剪力滯效應，主腹板N3板厚也可減至28 mm。

圖4 方案B的D-D斷面（單位:mm）

經核算，方案B比方案A在該節點增加不到2%的用鋼量。

3 有限元計算結果及分析

3.1 有限元建模

本橋整體計算采用Midas/Civil完成。利用ANSYS建立了單元總數約3萬個的板、梁混合單元局部模型。局部模型包含的范圍如下：大跨方向邊界為整體模型的永久荷載彎矩零點（圖2 A-A斷面），主梁V墩內側邊界（圖2 B-B斷面）距離節點區域超過1倍梁高，斜墩下端為固結狀態。分析重點在于斜墩頂部的受力狀態，故選取了墩頂（圖2 C-C斷面）最小彎矩和最大彎矩兩個工況，從整體模型中提取這兩個工況所對應的梁截面內力，作為外荷載施加到局部模型的梁端上，同時還考慮了作用于局部模型邊界范圍之內的恒載和活載。此外，考慮到局部模型基本對稱于截面中心線，故僅建立了一半結構的有限元模型（見圖5）。

圖5 方案B的單元離散圖

3.2 墩頂最小彎矩工況的計算結果

由圖2可知，A-A斷面一側是大跨，B-B斷面一側是小跨，故墩頂最小彎矩（負值）工況應該是節點應力狀態的控制工況。

為滿足圣維蘭原理，圖6的應力云圖排除了梁端的計算結果。兩個方案的腹板和頂板、底板均有高應力區，但方案B的高應力范圍和最大值都明顯小于方案A，方案B的頂板、底板應力的不均勻性（剪力滯效應）也小于方案A。

圖6 局部模型Mis e s應力云圖（單位：MP a）

腹板設計是兩個方案最大的區別。圖7詳細展示了兩者受力上的差別。不考慮局部模型未建立人孔加勁所造成的應力集中之后，對應力大于130 MPa的面積進行簡單統計后發現,方案A大約是方案B的4.2倍。

圖7 局部模型腹板Mis e s應力云圖（單位：MP a）

3.3 墩頂最大彎矩工況的計算結果

圖8為兩個方案在墩頂最大彎矩工況條件下的局部模型應力云圖。通過簡單力學分析可判知，本工況不是梁墩節點受力的控制工況，故相比墩頂最小彎矩工況，兩個方案的高應力范圍和極值均稍小，但方案B的受力狀態仍優于方案A。

圖8 局部模型腹板Mis e s應力云圖（單位：MP a）

3.4 分析

剛構橋的下部結構如采用空心扁墩（無論是豎直墩還是斜墩），則梁體豎向荷載傳遞到墩頂橫隔板時會有兩條傳遞途徑：一是直接傳遞給面積較小的墩腹板；二是先傳遞給墩頂橫隔板，再傳遞給墩翼緣，但由于剪力滯效應，寬翼緣的中部不能很好地承接該荷載——當采用鋼結構時，上述力流傳遞規律尤其顯著。

增設次腹板之后，部分豎向荷載提前于墩頂橫隔板處就完成了向下傳遞：橋面荷載→橫隔板→梁次腹板→墩次腹板，也能更有效地傳遞給墩翼緣。

3.5 其他墩梁節點

采用以上研究思路，筆者對本橋Z4X2、Z5X3、Z5X4節點也進行了有限元計算和優化設計。

4 結語

從基本的力學分析出發，充分利用大型有限元軟件的計算能力進行深化、優化設計，已成為現在工程設計中一種常見和重要的技術手段。本文對成都新建五岔子大橋主橋梁墩節點的有限元對比計算顯示，節點部分板件存在應力集中現象，而簡單增加板厚度的優化方案效果不如增加次腹板的方案。

五岔子大橋已于2020年底建成并投入使用，深受市民好評，成為成都市的“網紅橋”。