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)
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]。
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
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)
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)
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)
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。
2.1.1 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
2.2.1 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
(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].