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        九堡大橋設(shè)計過程復(fù)雜節(jié)點局部分析

        2011-08-08 08:23:06
        城市道橋與防洪 2011年12期
        關(guān)鍵詞:內(nèi)力大橋局部

        于 剛

        (上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司,上海市 200092)

        0 前言

        大型橋梁,尤其是在城市內(nèi)建設(shè)的橋梁,由于其社會影響范圍廣,更多的被賦予城市或地區(qū)性標志建筑物的期望,除滿足使用功能外,還要有美學上的造型要求。設(shè)計人員要在構(gòu)造的多樣化要求下進行設(shè)計,除了全橋總體計算分析外,還增加了對復(fù)雜部位進行詳細局部分析的需求。另外,新材料的發(fā)展以及不同建筑材料在同一結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用,也對設(shè)計提出了更高的要求,為了能夠把握不同材料在同一結(jié)構(gòu)中協(xié)同工作的性能,需要對設(shè)計過程進行精細化計算分析。再者,橋梁設(shè)計中,需要充分考慮到結(jié)構(gòu)實現(xiàn)所采用的施工方法,對施工過程中結(jié)構(gòu)的不利荷載狀態(tài)需要有所把握,尤其采用新的施工方法時,精細化的結(jié)構(gòu)局部分析更是有力的輔助。

        局部分析是相對于結(jié)構(gòu)整體計算而言的。局部分析方法可以分為實驗方法以及計算方法兩個大類,實踐中,由于實驗方法受到多重因素的影響,并且考慮到時間和經(jīng)濟效益,一般極少采用。計算方法主要是指采用大型通用有限元程序進行空間分析,隨著計算機技術(shù)進步以及有限元分析軟件建模功能以及后處理功能的增強,這種方法更容易被工程師們接受。

        九堡大橋為杭州錢塘江上規(guī)劃建設(shè)的10座大橋之一,是杭州市的市區(qū)橋梁,在方案階段就以地標性建筑物的高標準為指導,要兼顧安全、經(jīng)濟、適用和美觀的要求。經(jīng)過多方面比選,主橋最終采用了具有外傾主拱以及空間曲線副拱造型的三跨連續(xù)組合拱橋方案[1-2]。大橋全長1 855 m,孔跨布置為:北引橋55 m+2×85 m+90 m,主航道橋3×210 m,南引橋90 m+9×85 m+55 m。其中主航道橋總體布置參見圖1所示。施工中創(chuàng)新采用梁拱組合體系整體頂推施工方法。設(shè)計過程結(jié)合整體計算分析,對結(jié)構(gòu)進行了多點局部空間計算分析,分析結(jié)果為設(shè)計以及施工的實現(xiàn)提供了有力的輔助。

        1 復(fù)雜節(jié)點局部分析方法

        1.1 局部分析需求

        大型橋梁的局部分析需求主要來自于以下3個方面:復(fù)雜部位構(gòu)件設(shè)計需求;有集中荷載作用的局部穩(wěn)定性分析;與施工方法相關(guān)的局部分析。

        橋梁結(jié)構(gòu)中復(fù)雜部位一般指構(gòu)件連接節(jié)點位置,這種位置由于受到來自于構(gòu)件不同方向作用的內(nèi)力,受力狀況比較復(fù)雜,若不采用空間分析,很難對不同構(gòu)件之間的內(nèi)力分配關(guān)系做出判斷。在九堡大橋中,拱梁節(jié)點就屬于這種情況。如圖2所示,拱梁節(jié)點處有5個主要構(gòu)件相交,分別是主縱梁、拱肋、系桿和2根端橫梁,節(jié)點處受力復(fù)雜,若不采用空間計算分析,難以判斷各個構(gòu)件的受力情況,因此,拱梁節(jié)點是設(shè)計過程中必須要進行精細分析的重點部位。

        局部穩(wěn)定性分析一般針對鋼結(jié)構(gòu)橋梁,鋼結(jié)構(gòu)板件多采用設(shè)置加勁肋來保證穩(wěn)定性,加勁肋設(shè)置的多少以及所關(guān)注板件的厚度可采用局部穩(wěn)定性分析的方式進行確定。在九堡大橋中,由于采用上部結(jié)構(gòu)整體頂推施工,頂推過程支點作用在主縱梁底部,為確保施工過程不出現(xiàn)失穩(wěn)破壞,對主縱梁支點范圍腹板進行了局部穩(wěn)定性分析,如圖3所示。需要指出的是,在頂推施工過程中,主縱梁有多處經(jīng)過頂推支撐點,在進行局部分析前,需要在結(jié)構(gòu)整體計算中模擬頂推的整個過程,分析頂推過程中主縱梁最不利支撐點受力狀態(tài)。

        圖1 九堡大橋主橋總體布置圖(單位:m)

        圖2 拱梁節(jié)點位置及空間模型

        圖3 施工過程局部穩(wěn)定性分析位置及空間模型

        與施工方法相關(guān)的局部分析在九堡大橋的設(shè)計中體現(xiàn)得最為明顯。由于施工過程會出現(xiàn)施工臨時荷載,同時整個橋梁受力體系還沒有完全建立的情況下,最不利受力狀態(tài)有可能出現(xiàn)在施工過程中。為確定施工方法的可行性,需要對施工階段中出現(xiàn)的不利狀態(tài)進行計算分析。如圖4所示,九堡大橋在頂推過程中,在拱和梁之間設(shè)置臨時撐桿以保證拱梁頂推過程整體受力及穩(wěn)定性,撐桿節(jié)點處會出現(xiàn)撐桿軸壓力、支座反力、剪力均最大的情況,因此要對該工況下主縱梁節(jié)點進行局部應(yīng)力分析。施工措施中還采用了導梁以避免主結(jié)構(gòu)出現(xiàn)大懸臂狀態(tài),為確保主結(jié)構(gòu)的安全,設(shè)計中對導梁與拱梁節(jié)點相交位置進行了局部應(yīng)力分析。

        圖4 施工過程局部應(yīng)力分析位置及導梁連接點空間模型

        圖2~圖4僅列出九堡大橋部分節(jié)點位置作為說明,九堡大橋根據(jù)局部分析需求而確定的其他分析部位參見表1所示。

        表1 九堡大橋局部分析部位

        1.2 局部分析步驟

        橋梁結(jié)構(gòu)局部分析之前,應(yīng)做好結(jié)構(gòu)整體分析,為確定局部分析范圍及邊界條件做好準備。進行局部分析應(yīng)該遵循如下步驟,并以拱梁節(jié)點的應(yīng)力分析為例進行說明:

        (1)建立幾何模型。幾何模型建立可根據(jù)所采用分析工具靈活選擇,九堡大橋局部分析采用大型通用有限元軟件Ansys進行建模分析,模型建立時可借助于Autocad三維建模功能。建模時靈活運用布爾運算會起到事半功倍的效果。建模基本過程如圖5所示。

        圖5 拱梁節(jié)點邊界條件

        (2)確定模型范圍內(nèi)的邊界條件,其中包括荷載加載位置,約束位置及形式。九堡大橋拱梁節(jié)點的邊界條件處理參見表2及圖5所示。

        模型中選取支座作用范圍為1 800 mm×1 800 mm,對此范圍內(nèi)節(jié)點的UX、UY、UZ三個方向的自由度進行約束。兩根橫梁端部由于距離節(jié)點較遠,可進行約束處理,基本不會影響結(jié)果精度。

        (3)在總體模型中進行荷載取值,取值點應(yīng)為局部分析模型與總體模型相對應(yīng)點。要做到精確,在局部建模時,要根據(jù)整體模型中單元節(jié)點位置來確定局部模型的建模范圍。

        表2 拱梁節(jié)點模型構(gòu)成

        (4)荷載校對。將加好約束以及荷載的局部模型進行計算,取約束內(nèi)力與總體模型相應(yīng)位置內(nèi)力進行對比,以確定加載正確。九堡大橋拱梁節(jié)點模型取在活動支座端,用支座反力與Midas計算結(jié)果進行對比來判斷模型受力是否合理。在理想狀態(tài)下,模型支座豎向反力接近Midas整體計算結(jié)果,同時,其他方向反力接近于0。

        (5)進行計算及荷載組合,其中荷載組合可以在總體模型中完成,提取組合之后的邊界力加于局部模型,亦可在總體模型中取單項荷載,在局部分析模型計算結(jié)果中進行組合。九堡大橋局部分析中采用了在局部分析計算結(jié)果中進行組合的方式,以拱梁節(jié)點分析為例,表3列出了進行應(yīng)力分析的荷載單項及組合方式。

        1.3 局部分析的結(jié)果分析

        局部分析結(jié)果盡量以圖的形式呈現(xiàn),具有直觀易懂的特點。對局部分析計算所得結(jié)果結(jié)合材料性能指標以及設(shè)計技術(shù)標準進行判斷,對不合理之處找出原因及時調(diào)整,最終獲得可用結(jié)果。結(jié)合工程實踐,本文對局部分析中容易出現(xiàn)的問題進行分析總結(jié),在下一節(jié)進行了闡述。本節(jié)針對九堡大橋局部分析的主要內(nèi)容,有選擇性地列出部分分析結(jié)果,參見表4所示。

        表3 拱梁節(jié)點計算工況及組合

        全橋局部分析位置眾多,工況也眾多,在此僅說明性地列出了幾種有代表性的示例,另外,結(jié)果分析時可以取其中任意板件單獨進行應(yīng)力查看,在此不再贅述。

        2 局部分析應(yīng)注意的問題

        (1)局部計算往往涉及模型及工況眾多,需要統(tǒng)一編號,便于區(qū)分。九堡大橋局部分析計算模型多達10個,在比較計算分析過程中,采用精細化的分析,模擬頂推施工過程,再加上設(shè)計過程的調(diào)整,驗算工況總計有上百種之多,若不能做好文件命名規(guī)劃,容易出現(xiàn)錯誤。

        (2)注意總體計算采用軟件對單元內(nèi)力方向的約定與局部分析用軟件對單元內(nèi)力方向的約定之間的區(qū)別。各個有限元軟件都有對單元坐標方向的約定,由于結(jié)構(gòu)整體分析與局部分析所采用軟件往往不同,應(yīng)該注意區(qū)分,防止內(nèi)力加錯方向。

        (3)由于局部分析采用了空間模型,計算分析代價都較高,應(yīng)該在總體計算模型中做好定性判斷,盡可能減少需要進行局部分析的工況數(shù)量。

        (4)局部分析模型尺寸選擇應(yīng)該注意邊界條件局部影響范圍,同時要注意尺寸范圍內(nèi)邊界條件的簡化。以九堡大橋拱梁節(jié)點為例(見圖2),若將主拱模型范圍擴大,將會涉及到一根吊桿,這無疑會增加邊界條件的復(fù)雜性。

        (5)注意局部分析模型范圍內(nèi)荷載的完整性。仍舊以九堡大橋拱梁節(jié)點為例(見圖2),其中涉及到的荷載包括2根橫梁內(nèi)力,支座反力,主縱梁內(nèi)力,主拱內(nèi)力,副拱內(nèi)力,橋面板重量,節(jié)點板件自重以及系桿拉力,若忽略了其中任何一個,都會影響模型分析的準確性。

        表4 代表性局部分析結(jié)果及分析

        3 結(jié)語

        本文總結(jié)闡述了設(shè)計工作中的橋梁局部分析方法,并以杭州九堡大橋局部分析為例進行了算例說明。對局部分析從分析需求、分析步驟以及需要注意的問題等幾個方面進行了總結(jié)。從九堡大橋設(shè)計實踐過程中可以看到,局部分析作為橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的有力工具,尤其在一些具有造型需求的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及采用創(chuàng)新性施工方法探索過程中,能夠協(xié)助設(shè)計人員做出明確的判斷,對橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計起到了不可或缺的重要作用。

        [1]邵長宇.九堡大橋組合結(jié)構(gòu)橋梁的技術(shù)構(gòu)思與特色[J].橋梁建設(shè),2009(6):42-45.

        [2]張春雷.九堡大橋主航道橋副拱設(shè)計與制造特點[J].城市道橋與防洪,2010(10):78-82.

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