肖 春，崔 寧

（中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司成都分公司，四川成都 610081）

0 引言

橋梁作為公共建筑，除滿足使用功能外，還有其景觀功能。隨著社會(huì)的發(fā)展，不對(duì)稱、異形橋梁大量應(yīng)用于城市建設(shè)中[1-3]。在此類橋梁的設(shè)計(jì)中，除對(duì)其進(jìn)行總體強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性分析外，尚需對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)采用實(shí)體單元、板單元等進(jìn)行精細(xì)化有限元分析，以了解結(jié)構(gòu)的局部受力特點(diǎn)，為下一步的設(shè)計(jì)、施工提供參考[4，5]。

1 工程概況

貴陽(yáng)市漁安安井片區(qū)道路九南明河橋作為連接南明河兩岸的重要橋梁，全橋呈南北走向，北側(cè)與水東路相接，南側(cè)與濱河路相接。采用兩跨偏態(tài)拱的結(jié)構(gòu)形式，從單跨來(lái)看，像一條遨游在南明河上的巨鯨；兩跨連在一起，猶如一只正要高飛的雄鷹，寓意著未來(lái)方舟將乘著發(fā)展的東風(fēng)，和貴陽(yáng)一起展翅飛翔。該橋于2013年1月開(kāi)工，2014年1月通過(guò)竣工驗(yàn)收，目前已通車(chē)，運(yùn)營(yíng)良好。圖1為橋梁效果圖。

圖1 橋梁效果圖

1.1 總體布置

該橋全長(zhǎng)80 m，分兩跨上跨南明河。1號(hào)橋墩位于南明河中，標(biāo)準(zhǔn)跨徑為49 m+30 m，均為下承式簡(jiǎn)支鋼桁拱橋，中間設(shè)4 cm伸縮縫。橋面全寬22.1 m，雙向4車(chē)道，兩側(cè)為人行道。上部結(jié)構(gòu)采用全焊鋼結(jié)構(gòu)，鋼材均采用Q345qD，支架拼裝施工。橋梁立面及斷面見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 橋梁立面圖（單位：cm）

圖3 橋梁橫斷面圖（單位：cm）

1.2 第1跨主桁架

第1跨桁架拱標(biāo)準(zhǔn)跨徑為49 m，分為8片上弦桿、8片下弦桿，16個(gè)節(jié)點(diǎn)。上弦桿、下弦桿、腹桿均為箱形截面，其斷面如圖4所示。為保證桁架拱的面外穩(wěn)定性，在2片拱肋間設(shè)2道橫撐。

圖4 第1跨桁架桿件斷面圖（單位：mm）

1.3 車(chē)行道橋面系

橋面系分為車(chē)行道橋面系與人行道橋面系。其中第1跨車(chē)行道橋面采用正交異性板鋼橋面，寬度15.6 m，橋面板厚16 mm，U肋厚8 mm。采用15片中橫梁、2片端橫梁，中橫梁的縱橋向間距為3 m。端橫梁均為箱形斷面，腹板厚度均為20 mm，底板厚度為20 mm，在端橫梁內(nèi)設(shè)置4道厚度12 mm的橫隔板。中橫梁均為工字形斷面，腹板厚度均為20 mm，底板厚度為20 mm。為防止中橫梁的面外失穩(wěn)，在中橫梁腹板上設(shè)置4道橫向加勁肋。圖5為橋面系斷面圖。

圖5 橋面系斷面圖（單位：mm）

2 局部構(gòu)件分析

根據(jù)橋梁的整體結(jié)算結(jié)果，第1跨的1B0節(jié)點(diǎn)處受力最不利，對(duì)其進(jìn)行局部分析。同時(shí)，由于正交異性鋼橋面板采用桿單元計(jì)算難以得出較準(zhǔn)確的結(jié)果，采用板單元對(duì)其分析。

2.1 1B0節(jié)點(diǎn)計(jì)算

2.1.1 計(jì)算模型

在Midas FEA v3.30中，采用子模型建立1B0節(jié)點(diǎn)的有限元模型，單元均采用二維板單元。為較準(zhǔn)確模擬約束特性，本節(jié)點(diǎn)所在拱片的其他桿件采用梁?jiǎn)卧?。模型共?jì)15 066個(gè)板單元，196個(gè)梁?jiǎn)卧?4 889個(gè)節(jié)點(diǎn)。整體模型及1B0節(jié)點(diǎn)模型如圖6、圖7所示。

圖6 單片桁架有限元模型

圖7 1B0節(jié)點(diǎn)有限元模型

2.1.2 邊界條件

（1）上、下弦桿的梁?jiǎn)卧c板單元采用剛性連接進(jìn)行主從約束。

（2）1B0節(jié)點(diǎn)處24 mm厚支座橫向加勁板的各節(jié)點(diǎn)均設(shè)置uz豎向約束，在拱片另一側(cè)的支承處設(shè)置豎向uz約束。

2.1.3 作用力

外部作用力考慮結(jié)構(gòu)自重、橋面系及二期恒載重量、車(chē)道荷載共3部分。計(jì)算節(jié)點(diǎn)應(yīng)力時(shí)，將3部分荷載作為靜載同時(shí)加載于結(jié)構(gòu)上。

（1）1B0節(jié)點(diǎn)及本片桁架的上、下弦桿，腹桿均在模型中有所體現(xiàn)，考慮到鋼結(jié)構(gòu)加勁肋重量，各構(gòu)件的自重提高系數(shù)取為1.25。

（2）在各中橫梁、端橫梁與下弦桿相交節(jié)點(diǎn)處施加-198 kN的豎向力來(lái)模擬上部結(jié)構(gòu)自重及二期恒載重量，本模型中共計(jì)16個(gè)此類節(jié)點(diǎn)；在上橫撐與上弦桿相交節(jié)點(diǎn)處施加-29.3 kN的豎向力來(lái)模擬上橫撐自重，本模型中共計(jì)2個(gè)此類節(jié)點(diǎn)，如圖8所示。

圖8 上部結(jié)構(gòu)重量及二期恒載示意圖

（3）車(chē)道作用：車(chē)道考慮均布力及集中力的作用。

采用杠桿原理法計(jì)算單片桁架的車(chē)道橫向分布系數(shù)，可得η=1.64，汽車(chē)沖擊系數(shù)取為1.4。

集中力為：P=1.64×1.4×（4×49+160）=817.4(kN)

均布荷載為：q=1.64×1.4×10.5=24.1(kN/m)

將集中力P作用于與1B0節(jié)點(diǎn)距離最近的下弦桿節(jié)點(diǎn)上，本模型中共計(jì)1個(gè)此類節(jié)點(diǎn)；將均布荷載q作用于所有的下弦桿單元上，本模型中共計(jì)46個(gè)此類單元，如圖9所示。

圖9 車(chē)道荷載示意圖

2.1.4 計(jì)算結(jié)果

腹板及下弦桿頂板，上弦桿頂、底板的最大正應(yīng)力位于支承加勁肋與腹板連接處，為208.1 MPa，小于規(guī)范規(guī)定的300 MPa，見(jiàn)圖10。

支座加勁肋的最大正應(yīng)力位于支承加勁肋與腹板、底板連接處，為216.4 MPa，小于規(guī)范規(guī)定的300 MPa,見(jiàn)圖11。

圖10 腹板及下弦桿頂板，上弦桿頂、底板σy正應(yīng)力圖

圖11 底板及支座加勁肋局部σx正應(yīng)力圖

2.2 頂板及橫梁計(jì)算

2.2.1 計(jì)算模型

在Midas FEA v3.30中，建立橋面板及中橫梁的有限元模型，單元均采用二維板單元。由于模型橫向?qū)ΨQ，為降低計(jì)算工作量，只建立1/4的模型，共計(jì)18 174個(gè)板單元，16 662個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2.2.2 邊界條件

（1）橋面板及中橫梁的腹板、底板與下弦桿連接處均采用TX、TY、TZ共3個(gè)自由度約束。

（2）由于模型橫向?qū)ΨQ，對(duì)對(duì)稱截面的各節(jié)點(diǎn)約束UY、RX 2個(gè)自由度。

2.2.3 作用力

外部作用力考慮結(jié)構(gòu)自重、二期恒載重量、車(chē)輛荷載共3個(gè)部分。計(jì)算節(jié)點(diǎn)應(yīng)力時(shí)，將3個(gè)部分荷載作為靜載同時(shí)加載于結(jié)構(gòu)上。

（1）橋面板、U肋、中橫梁、中橫梁加勁肋、小縱梁等各構(gòu)件的自重提高系數(shù)取為1.0。

（2）二期荷載為橋面鋪裝，厚度為8 cm，其自重為0.08×24=1.92（kN/m2），對(duì)橋面板各單元均施加-1.92 kN/m2的面壓力荷載。

（3）車(chē)輛荷載

采用城-A車(chē)輛荷載，不考慮沖擊系數(shù)，1/2的橋面系共分布2個(gè)車(chē)道，如圖12所示。

橋面瀝青混凝土鋪裝厚度為0.08 m，車(chē)輛荷載按45°角度擴(kuò)散。

車(chē)輪的縱向分布寬度為：

圖12 車(chē)輛荷載加載圖

橫向分布寬度為：

考慮到橋面板單元的劃分尺寸，車(chē)輪的分布寬度近似為：

對(duì)單個(gè)輪重為100 kN處，橋面板單元的車(chē)輪均布面壓力為：

對(duì)單個(gè)輪重為70 kN處，橋面板單元的車(chē)輪均布面壓力為：

2.2.4 計(jì)算結(jié)果

橋面板的最大正應(yīng)力位于車(chē)輪下，為65.1 MPa，小于規(guī)范規(guī)定的200 MPa,見(jiàn)圖13。

圖13 橋面板σyy應(yīng)力圖

U肋的最大正應(yīng)力位于車(chē)輪荷載下的U肋側(cè)壁，為 49.9 MPa<200 MPa。

中橫梁、小縱梁的最大正應(yīng)力發(fā)生于橫梁底板與下弦桿連接處，為108.2 MPa<200 MPa，見(jiàn)圖14。

2.2.5 橋面系剛度

在最不利輪載作用下，節(jié)間相對(duì)位移為0.30mm<0.4 mm，滿足《正交異性鋼橋面系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和基本維護(hù)指南》（報(bào)批稿）的要求。

圖14 中橫梁+小縱梁σxx應(yīng)力圖

3 結(jié)語(yǔ)

（1）本文利用有限元分析軟件Midas FEA對(duì)下承式鋼拱橋的拱腳支承節(jié)點(diǎn)、橋面板進(jìn)行空間有限元分析，通過(guò)局部計(jì)算分析結(jié)果可看出，除局部區(qū)域的應(yīng)力水平較高外，絕大部分區(qū)域的應(yīng)力水平均較低。拱腳節(jié)點(diǎn)、橋面板的最大應(yīng)力及局部剛度均未超出規(guī)范的規(guī)定。

（2）該橋的拱腳支承節(jié)點(diǎn)、橋面板構(gòu)造是合理的，可為類似工程提供參考。

[1]林元培.橋梁設(shè)計(jì)工程師手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社，2007.

[2]于剛.九堡大橋設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜節(jié)點(diǎn)局部分析[J].城市道橋與防洪，2011（12）：30-33.

[3]張琳,曾天寶.艾溪湖大橋局部受力分析[J].城市道橋與防洪，2012（12）：79-81，113.

[4]JTG D60-2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[5]JTJ 025-1986，公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].