何武超
(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司,上海市 200092)
隨著國內(nèi)城市化進程的縱深發(fā)展,城市橋梁除了滿足基本的交通功能要求之外,更是承載了城市形象的景觀工程。寧波外灘大橋主橋作為一座主跨225 m的獨塔四索面異型斜拉橋,造型新穎,喻意深刻,與周邊環(huán)境協(xié)調融合,比之于常規(guī)斜拉橋,在建筑造型、結構設計以及施工工藝等方面,對各方參建者都提出了更高的要求。本文以該橋為工程背景,介紹了該橋的塔梁固結節(jié)點的應力傳遞路徑、受力機理、合理構造設計。
寧波外灘大橋是寧波市“五路四橋”工程的一部分,位于甬江橋下游江北區(qū)與江東區(qū)交界處,是地處市中心的一座景觀橋梁,建成后將成為寧波市"三江六岸"又一地標性建筑。外灘大橋主橋采用獨塔四索面異型斜拉橋全鋼結構,跨徑布置自西向東為主跨225 m+邊跨82 m+30 m=337 m??傮w布置見圖1。
主橋主塔采用三角形斜塔結構,位于兩幅分離式主梁的中間位置。主塔結構由四部分組成:前塔柱、上塔頭錨固區(qū)、后斜桿、水平桿。
主梁采用分離式鋼箱梁,通過橫梁連為整體。江東側主梁兩側向下懸挑伸出曲線的人行橋。人行系統(tǒng)包括人行道和人行橋兩部分,均采用懸臂工字形鋼梁+縱向小主梁結構型式。
塔梁固結節(jié)點(見圖2)作為平衡主跨軸力、邊跨軸力、前塔柱水平分力的重要構造,除了承受前塔柱傳遞而來巨大的豎向力,將其順利傳遞至主墩下部基礎結構之外,還是橫向活載在主梁與固結約束端產(chǎn)生較大橫向彎矩的關鍵部位,上下行兩幅橋的主梁側向固結在前塔柱上,該側向約束的強弱程度,使得軸力的傳遞和彎矩剪力滯的效應顯得尤為復雜。該節(jié)點受力特點體現(xiàn)在:
(1)主跨及邊跨的斜拉索軸向不平衡分力所引起的縱向剪力及平面扭矩;
(2)主橋活載所引起的豎向剪力及橫向彎矩。
外灘大橋建筑景觀造型的輕盈和飄逸決定了結構受力特性和節(jié)點構造設計的復雜程度。塔梁固結節(jié)點作為非常規(guī)構造,常規(guī)設計理論無法滿足設計要求及精度,因此,展開對其受力分析研究,為設計提供必要設計參數(shù)和依據(jù),充分實現(xiàn)景觀和結構的設計意圖,確保塔梁節(jié)點的結構安全可靠,顯得頗為緊要,意義重大。
鑒于問題的復雜程度較高,獲得其解析解不現(xiàn)實,而用于設計的近似理論方法不足以獲得足夠的精確度,因此,本研究采用大型通用有限元分析軟件ANSYS建立仿真模型,分析其在設計荷載作用下節(jié)點各組成部件間力的傳遞,理解大跨度結構關鍵節(jié)點周圍的局部應力大小和應力分布規(guī)律,研究在恒載及各荷載組合作用下,塔梁固結節(jié)點的應力傳遞路徑、受力機理、合理構造設計。
3.2.1 有限元模型
本節(jié)點受力分析采用通用有限元程序ANSYS對上述塔梁節(jié)點建立板殼有限元模型,見圖3。
圖1 外灘大橋主橋總體布置圖
圖2 節(jié)點構造示意圖(對稱模型)
圖3 節(jié)點有限元模型示意圖
鋼板均采用板殼單元SHELL63模擬,模型兩側各有一段由梁單元Beam44模擬的剛臂,剛臂一端與板殼模型邊界用剛域耦合,另一端施加桿單元內(nèi)力。剛臂梁單元的截面幾何屬性與主梁標準斷面相當,彈性模量為鋼材的100倍,可以滿足傳力要求。剛臂桿端力為全橋桿系模型總體計算中相應截面的內(nèi)力。
3.2.2 研究荷載
塔梁固結節(jié)點結構上的荷載分為:
(1)該節(jié)點范圍內(nèi)索梁錨固區(qū)的內(nèi)外索力;
(2)該節(jié)點范圍內(nèi)二期恒載;
(3)節(jié)點范圍內(nèi)汽車、人群均布荷載及汽車集中荷載;
(4)該節(jié)點邊界內(nèi)力,即主梁Z2節(jié)段、主梁B2節(jié)段、前塔柱TA-2節(jié)段橫斷面上的整體桿系模型相應的軸力、彎矩、剪力。
3.2.3 邊界條件
約束邊界條件的設定通過固結前塔柱塔底TA-0處位移、轉角六個方向自由度來實現(xiàn)。
內(nèi)力邊界條件的設定采用“混合單元”模式,即分析對象的板單元+過渡區(qū)域的梁單元,充分利用桿系模型的梁單元內(nèi)力作為混合單元的邊界條件,精確模擬其所關注部位的應力傳遞機理及分布水平。
對于主力荷載組合工況(恒載+活載) 和主力荷載+溫度荷載組合工況(恒載+活載+溫度),桿系模型分析計算結果表明,軸向力所產(chǎn)生的應力在組合應力中所占比重較大,故選取軸力最大對應的荷載組合作為最終的內(nèi)力邊界,見圖4。
圖4 有限元模型內(nèi)力邊界示意圖
(1)恒載、組合1工況下應力水平較組合2工況下低,組合2工況下節(jié)點各板件Von Mises應力均在200 MPa以下,且屬于應力集中部位,整體應力水平在120~180 MPa之間,節(jié)點結構設計安全、合理,滿足規(guī)范要求,見表1。
表1 主梁平面板件Von Mises應力匯總(單位:MPa)
(2)塔梁固結節(jié)點的平面板件整體Von Mises應力處于100~130 MPa之間,富余度較大。Z0+Z0a頂板圓弧過渡處的局部應力集中達到130~150 MPa,滿足規(guī)范要求。
(3)Z1~B1頂板、底板縱橋向應力基本處于受壓狀態(tài),橫橋向應力在Z0與Z0a相交處較大,體現(xiàn)出主橋鋼箱梁懸臂支撐于Z0a的受力特性;頂板、底板主橋側、引橋側兩處倒圓角過渡區(qū)域產(chǎn)生一拉一壓應力集中,體現(xiàn)出主引橋兩側不平衡軸力所產(chǎn)生的平面扭轉效應,見圖5。
(4)塔梁固結節(jié)點豎向力的傳遞路徑為前塔柱TA2~TA1-主梁Z0a頂板、隔板、底板-前塔柱TA0。對應該傳遞路徑,受力特性上表現(xiàn)出TA1節(jié)段面板應力水平較高,通過Z0a的過渡,到TA0節(jié)段部位其應力水平已經(jīng)有所降低。結構設計安全、合理,節(jié)點構造處理較為理想地達到了應力擴散的設計目的。
(5)塔梁固結節(jié)點水平力在Z2~B1箱梁軸線上處于不平衡狀態(tài),主跨側軸向力較邊跨側大。該不平衡力與TA1軸向力的水平分力進行平衡,但在平面形成一對力偶產(chǎn)生的平面扭矩,反映到結構受力上則是Z0+Z0a頂、底板兩個邊角圓弧過渡段產(chǎn)生一壓一拉的應力集中。
圖5 Von Mises應力(恒載,單位:kPa)
外灘大橋作為國內(nèi)首座獨塔四索面異型斜拉橋,造型奇特,結構復雜。塔梁固結節(jié)點匯集三個方向的關鍵節(jié)段構造(主梁節(jié)段Z0、前塔柱節(jié)段TA-1、墩頂主梁Z0a、塔墩固結節(jié)段TA-0) 主跨分離式雙主梁與前塔柱通過橫梁交匯在一起。整個節(jié)點構造板件立體交錯,縱、橫、豎向加勁密布,空間狹小,為非常規(guī)構造設計,國內(nèi)外可借鑒的類似的工程經(jīng)驗較少。本文借助通用有限元程序展開對其受力分析研究,為設計提供必要設計參數(shù)和依據(jù),包括關鍵節(jié)點的應力傳遞路徑、受力機理、合理構造設計等,充分實現(xiàn)了景觀和結構的設計意圖,確保了塔梁節(jié)點的結構安全可靠。外灘大橋2008年6月正式開工建設,于2010年年底順利竣工通車,至今運營良好。
[1]馬骉,葛競輝,張俊杰.寧波市外灘大橋設計[A].2011全國橋梁學術會議[C].2011.
[2]周震磊,廖德川,鄢偉.寧波市外灘大橋主塔施工關鍵技術[J].城市道橋與防洪,2010(9):225-227.
[3]何武超,張俊杰,馬骉.寧波外灘大橋——獨塔四索面異型斜拉橋施工控制[A].2012全國斜拉橋關鍵技術論文集[C].2012.
[4]卓衛(wèi)東,房貞政,林清.墩塔梁固結體系斜拉橋固結節(jié)點受力分析[J].福州大學學報(自然科學版),1999(4):83-87.
[5]劉士林,等.斜拉橋[M].北京:人民交通出版社,2002,380-383.