烏龍江大橋吊桿與鋼拱肋連接處局部受力分析

鄒波

廣州地鐵設計研究院股份有限公司 廣東 廣州 510200

引言

烏龍江大橋為（70+140+168+140+70）m五跨連續梁拱橋，主梁采用預應力變截面混凝土梁，拱肋采用鋼箱拱。吊桿與鋼箱拱肋連接處結構構造和受力情況都較為復雜，全橋整體分析中，吊桿和鋼拱肋分別采用空間桁架單元和空間梁單元模擬，難以考慮兩者及其連接處的構造細節，因此，其受力狀態有必要作進一步的局部細化分析[1]。

1 拱肋結構

本橋采用提籃式鋼箱拱結構，中跨跨度168m，矢高28m（含橋面下0號塊區域），中跨主拱矢跨比為1/6，中跨拱軸線采用R=141010m的圓曲線，主拱肋按4.5°角內傾，拱頂處拱肋間距為9.549m。拱肋為單箱單室等截面，截面尺寸高×寬為2.0m×1.5m，頂底板厚32mm，腹板厚32mm。采用板肋加勁肋，高250mm。左右兩個鋼箱拱肋通過5道鋼箱橫撐連接成整體。拱肋上橫隔板間距3m（軸線距離），有吊點處橫隔板厚30mm，無吊點處橫隔板厚20mm。

本橋邊拱結構為提籃式鋼箱拱，邊跨跨度140m，矢高19.8m（含橋面下0號塊區域），邊拱矢跨比為1/7.07，中跨拱軸線采用R=119067m的圓曲線，邊拱肋按4.5°角內傾，拱頂處拱肋間距為10.564m。拱肋為單箱單室等截面，截面尺寸高×寬為2.0m×1.5m，頂底板厚32mm，腹板厚32mm。采用板肋加勁肋，高250mm。左右兩個鋼箱拱肋通過3道鋼箱橫撐連接成整體。拱肋上橫隔板布置間隔為3m（軸線距離），有吊點處橫隔板厚30mm，無吊點處橫隔板厚20mm。

圖1 全橋空間有限元模型軸側圖

由于拱肋內傾以及不同吊桿的錨固位置標高不一樣，不同位置吊桿傾角各有差異，不同位置吊桿與箱梁中心線的夾角如下表所示：

圖2 吊桿傾角示意圖

表1 不同位置吊桿傾角計算結果

2 計算工況選取

全橋整體分析得到的吊桿力如表2所示，其中中跨5#吊桿的吊桿力最大，跨中1#吊桿傾角與內力均較大，所以本文選取內力最大的5#吊桿處以及傾角和內力均較大的中跨1#吊桿做局部分析[2]。不同工況下的吊桿受力如下表所示：

表2 不同吊桿的吊桿力（kN）

3 局部分析的有限元模型

3.1 截取范圍

所有吊桿與鋼箱梁的連接形式相同，選取吊桿1#和5#與鋼箱梁的連接處進行局部細化分析。局部受力分析模型截取的范圍應足夠大，根據烏龍江大橋的相關設計資料，對吊桿處連接裝置進行局部分析時順橋向長度均取3m。

3.2 有限元模型建立

采用大型有限元軟件包ANSYS對吊桿與鋼箱梁連接處局部位置進行受力特性分析。局部空間有限元模型全部采用shell63空間板殼單元模擬。局部模型中，頂底板和腹板與縱向加勁肋在相交位置共節點，加勁肋與端橫隔板不連接，吊桿位置隔板與底板及邊腹板共節點。本文重點分析套筒及隔板的受力情況，考慮了吊桿與鋼箱拱肋錨固區的構造細節，建立精細化的ANSYS有限元分析模型，連接處的網格進行加密，箱梁底部加上固定邊界條件[3]。

圖3 吊桿位置空間有限元模型（未顯示鋼箱）

4 計算結果及分析

4.1 Mises等效應力

由應力云圖可知，在恒載和最不利活載作用下，5#吊桿豎向隔板最大Mises等效應力為190MPa，出現在套筒與隔板相交位置，其余位置應力均在110Mpa以內；鋼套筒大部分區域最大Mises等效應力在120MPa以內，在套筒頂部與豎向及橫向墊板的交界處，且存在一定的應力集中，最大值達653Mpa，橫向墊板最大Mises等效應力為230MPa，發生在與套筒連接位置[4]。

圖4 吊桿1#與5#豎向隔板Mises等效應力（Pa）

在恒載和最不利活載作用下，1#吊桿豎向隔板最大Mises等效應力為167MPa，套筒與隔板相交位置，其余位置應力均在90Mpa以內；鋼套筒大部分區域最大Mises等效應力小于120MPa，在套筒頂部與豎向及橫向墊板的交界處，且存在一定的應力集中，達580Mpa，橫向墊板最大Mises等效應力為194MPa，發生在與套筒連接位置。

4.2 主拉應力幅

根據《鐵路橋梁鋼結構設計規范》4.3.2條，多線鐵路橋進行疲勞荷載驗算時，疲勞荷載按照單線加載，布置在橫向最不利位置，同時乘以多線系數γd[5]。

在最不利活載作用下，中跨5#吊桿處大主拉應力為51MPa，發生在套筒頂面邊緣；其余位置的主拉應力均在10Mpa以內。1#吊桿處局部位置有較大的應力集中，最大約為46Mpa，其余部分的最大主拉應力均小于10Mpa。

根據《鐵路橋梁鋼結構設計規范》[6]4.3.6條，構件其疲勞檢算應符合下列規定

根據《鐵路橋梁鋼結構設計規范》[6]表3.2.7-1的相關說明，對于鋼結構角焊縫其疲勞容許應力幅為110.3Mpa。

51×1.12＜110.3Mpa，因此，吊桿處墊板疲勞強度滿足要求。

5 結束語

綜上所述，吊桿與鋼箱梁連接處，鋼箱梁的強度滿足要求，套筒與橫向及豎向板交界位置有應力集中現象，在此位置需保證吊桿作用點與承壓板與套筒垂直，套筒與箱梁及隔板位置需保證焊接質量，防止產生過大的應力集中。