陳鴻煒 蘇慶田 吳 沖 孫旭霞

(1．同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上海200092;2．同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海200092)

1 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，橋梁除了滿足結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)適用外，人們?cè)絹?lái)越重視橋梁藝術(shù)和美學(xué)，一大批結(jié)構(gòu)形式新穎、造型別致的橋梁相繼建成。其中，斜拉橋異形鋼橋塔就是有別于傳統(tǒng)橋塔的一種新穎的結(jié)構(gòu)形式［1，2］。異形斜拉橋除了具有一般斜拉橋的共性之外，還有自身獨(dú)特的特點(diǎn)。這些異形橋塔構(gòu)造復(fù)雜、傳力機(jī)理不明確，傳統(tǒng)的桿系計(jì)算理論是否可以滿足設(shè)計(jì)要求存在疑問(wèn)。目前在建筑結(jié)構(gòu)中對(duì)于梁柱連接節(jié)點(diǎn)研究較多［3-8］，而對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)空間異形塔的梁柱連接節(jié)點(diǎn)研究較少。本文結(jié)合范蠡大橋?qū)蛩牧褐?jié)點(diǎn)分析其受力特點(diǎn)，得到的相關(guān)結(jié)論可為類似工程參考。

2 工程背景

背景工程范蠡大橋是一座全鋼結(jié)構(gòu)三塔單索面斜拉橋，跨徑布置為(82+168+168+82)m，如圖1所示。該橋橋塔為空間鉆石形，由4根塔柱構(gòu)成，如圖2所示。塔柱為鋼結(jié)構(gòu)八邊形截面，四根塔柱之間采用上、中、下三組橫梁相連。范蠡大橋橋塔中每個(gè)塔柱的上下塔柱交匯處分別與兩道橫梁相連。上下塔柱的軸線斜交，上下塔柱交匯點(diǎn)同時(shí)又要連接兩道截面形式為四邊形的橫梁;采用鋼板圍成的箱形塔柱和橫梁內(nèi)部還需布置加勁肋和隔板，該部位的板件空間錯(cuò)落交匯，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜。梁柱連接節(jié)點(diǎn)是把上塔柱的力傳到下塔柱的關(guān)鍵部位，由于上下塔柱的軸線斜交，使得該部位的板件受力極其復(fù)雜。

圖1 范蠡大橋總體布置圖(單位:m)Fig．1 General layout of Fanli Bridge(Unit:m)

圖2 范蠡大橋橋塔構(gòu)造圖及梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造圖(單位:mm)Fig．2 Pylon and beam-column joint structure details(Unit:mm)

3 計(jì)算模型

為了分析梁柱節(jié)點(diǎn)的受力性能，采用大型通用有限元程序ANSYS建立全橋桿系模型，如圖3(a)所示，以及中間橋塔的空間板殼有限元模型，如圖3(b)所示，其中梁柱節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)局部模型，如圖3(c)所示。模型采用BEAM188單元模擬全橋、SHELL63單元模擬塔柱。模型中鋼材彈性模量取2．1 ×108kN/m2，容重取 78．5 kN/m3。

荷載取最不利荷載組合進(jìn)行驗(yàn)算，單根拉索索力如表1所示。表中錨箱編號(hào)1～9分別是塔柱從上到下的9個(gè)錨箱編號(hào)。將斜拉索與平行索的索力以面荷載的形式施加于錨箱承壓板上?？紤]錨箱承壓板對(duì)應(yīng)力的擴(kuò)散作用，荷載作用于承壓板圓環(huán)面積上。邊界條件是將塔柱底部固結(jié)。

圖3 結(jié)構(gòu)模型示意圖Fig．3 Structure model

表1 最不利荷載組合索力Table 1 The most undesirable cable forces kN

4 計(jì)算結(jié)果

4．1 塔柱受力分析

塔柱各個(gè)板件編號(hào)如圖4所示，其中UW代表梁柱節(jié)點(diǎn)上塔柱，DW代表梁柱節(jié)點(diǎn)下塔柱。斜拉橋索力通過(guò)節(jié)點(diǎn)上塔柱傳遞至梁柱連接節(jié)點(diǎn)，之后梁柱連接節(jié)點(diǎn)將大部分荷載傳遞至下塔柱。為了清楚描述八邊形塔柱各個(gè)板件承擔(dān)荷載情況，計(jì)算了橋塔各個(gè)板件的軸力，得到各個(gè)板件承擔(dān)軸力比例如表2所示。

圖4 塔柱板件編號(hào)示意圖Fig．4 Pylon plate lable

從表2可以看出，梁柱節(jié)點(diǎn)上塔柱與下塔柱的各個(gè)板件承擔(dān)豎向壓力比例基本相同。在彎矩作用下，塔柱內(nèi)側(cè)的板件承擔(dān)較多的豎向壓力，板件UW(DW)-1、7、8三塊板件的豎向壓力為總豎向壓力的60%～65%。UW-8和DW-8承擔(dān)的豎向壓力最多，分別承受28．11%和25．80%的豎向壓力。

表2 塔柱板件軸力分配比例Table 2 Axial force sharing ratios for pylon plates

4．2 橫梁受力分析

圖5為節(jié)點(diǎn)橫梁的剪應(yīng)力分布圖。在空間鋼框架結(jié)構(gòu)中，橫梁主要起到傳遞荷載的作用。從圖5(a)和圖5(b)可以看出，橫梁頂?shù)装宓募魬?yīng)力在彎折處出現(xiàn)極值，頂板最大剪應(yīng)力約為25 MPa，底板最大剪應(yīng)力約為26．6 MPa;而板中其他部分的剪應(yīng)力分布較為均勻。從圖5(c)和圖5(d)可以看出，橫梁腹板的剪應(yīng)力在與頂?shù)装逑嘟惶幊霈F(xiàn)極值，內(nèi)側(cè)腹板最大剪應(yīng)力約為7．5 MPa，外側(cè)腹板最大剪應(yīng)力約為35 MPa;遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)處的橫梁腹板剪應(yīng)力較為均勻。從圖中的剪應(yīng)力分布情況來(lái)看，橫梁在梁柱連接節(jié)點(diǎn)附近主要受到橫向彎曲并伴有扭轉(zhuǎn)作用，這與一般的梁柱節(jié)點(diǎn)受力不同。

圖5 橫梁剪應(yīng)力分布圖(單位:kPa)Fig．5 Beam shear stress contour(Unit:kPa)

4．3 節(jié)點(diǎn)受力分析

通過(guò)有限元模型計(jì)算分析，得到梁柱連接節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)受力情況。這里選取有斜拉索錨固塔柱的梁柱連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行板件受力特性分析。

圖6為梁柱連接節(jié)點(diǎn)Mises應(yīng)力分布圖。從圖中可以看出，梁柱連接節(jié)點(diǎn)內(nèi)側(cè)的應(yīng)力明顯高于節(jié)點(diǎn)外側(cè)，節(jié)點(diǎn)內(nèi)側(cè)應(yīng)力分布不均勻。梁柱連接節(jié)點(diǎn)在塔柱與橫梁相交處出現(xiàn)應(yīng)力集中，最大Mises應(yīng)力約為210 MPa，其他部位板件的Mises應(yīng)力大部分在140 MPa以下。梁柱節(jié)點(diǎn)內(nèi)側(cè)應(yīng)力擴(kuò)散很快，上下塔柱Mises應(yīng)力大部分在90 MPa以下。橫梁的Mises應(yīng)力外側(cè)高于內(nèi)側(cè)，但總體水平不高，約50 MPa。

圖6 梁柱連接節(jié)點(diǎn)Mises應(yīng)力分布圖(單位:kPa)Fig．6 Beam-column joint Mises stress contour(Unit:kPa)

計(jì)算分析表明，梁柱連接節(jié)點(diǎn)板件的Mises應(yīng)力在板件相交處較大，但均未超過(guò)材料的屈服應(yīng)力，結(jié)構(gòu)安全。

為了進(jìn)一步地分析梁柱連接節(jié)點(diǎn)壁板的受力情況，選取圖 7 所示的 A—A、A'—A'、B—B、C—C和C'—C'五個(gè)斷面，分析壁板在荷載作用下的豎向應(yīng)力分布。

圖7 梁柱節(jié)點(diǎn)示意圖Fig．7 Beam-column joint

從圖8中可以看出，壁板豎向正應(yīng)力在節(jié)點(diǎn)與塔柱相交面附近(A—A、A'—A'、C—C 和C'—C')分布不均勻，在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部(B—B)分布較為均勻。

從圖8(a)和圖8(e)中可以看出，A—A和C—C位置處壁板在距離形心約為－1 m和－2 m距離處出現(xiàn)應(yīng)力的突然變化，這是由于壁板彎折出現(xiàn)剛度突變而導(dǎo)致的。從圖8(b)和圖8(d)中可以看出，由于橫梁頂板加勁肋對(duì)于節(jié)點(diǎn)壁板的約束作用，在A'—A'和C'—C'位置處壁板與橫梁相交部分出現(xiàn)復(fù)雜的波動(dòng)變化，其波動(dòng)變化較大，個(gè)別位置應(yīng)力已經(jīng)超過(guò)了梁柱連接節(jié)點(diǎn)下翼緣應(yīng)力。從圖8(c)可以看出，在節(jié)點(diǎn)中央(B—B)，壁板應(yīng)力變化均勻，但在距離形心1 m處由于壁板彎折而導(dǎo)致應(yīng)力曲線的斜率發(fā)生變化，而在形心位置以下部分板件由于橫梁的約束作用而使得應(yīng)力曲線的斜率基本保持恒定。

通過(guò)對(duì)比桿系模型和板殼模型在各個(gè)斷面處的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)(見(jiàn)表3)，除了B—B斷面外，其他位置處兩種計(jì)算模型的結(jié)果偏差較大，最大偏差為20．11%。而B(niǎo)—B斷面處兩種計(jì)算模型的結(jié)果吻合較好，最大壓應(yīng)力偏差為7．36%，最大拉應(yīng)力偏差為0．53%。

表3 梁柱連接節(jié)點(diǎn)壁板豎向應(yīng)力極值Table 3 The maximum and minimum stress of wall panels in the beam-pylon joint

5 結(jié)論

圖8 梁柱連接節(jié)點(diǎn)壁板豎向正應(yīng)力Fig．8 Normal stress of wall panels in the beam-column joint

本文以宜興范蠡大橋?yàn)楸尘?，通過(guò)建立空間桿系和板殼有限元程序，對(duì)梁柱連接節(jié)點(diǎn)板件應(yīng)力狀態(tài)等方面進(jìn)行研究分析。分析表明:

(1)梁柱連接節(jié)點(diǎn)上下塔柱各板件承擔(dān)荷載比例基本相同，塔柱內(nèi)側(cè)板件承擔(dān)了60%～65%的軸力。橫梁各個(gè)板件剪應(yīng)力較小，在梁柱連接節(jié)點(diǎn)附近受到橫向彎曲和扭轉(zhuǎn)作用。

(2)梁柱連接節(jié)點(diǎn)各板件受力復(fù)雜，應(yīng)力變化較大。各板件Mises應(yīng)力在210 MPa以下，高應(yīng)力區(qū)域范圍較小，應(yīng)力擴(kuò)散較快，梁柱連接節(jié)點(diǎn)承載能力滿足要求。

(3)采用桿系有限元和板殼有限元計(jì)算得到梁柱連接節(jié)點(diǎn)處板件應(yīng)力相差較大，最大偏差約為20%，對(duì)該連接節(jié)點(diǎn)應(yīng)采用板殼有限元方法分析。

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