羅 瑋 陶詩(shī)君 陳文明

(中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088)

某上承式梁拱組合橋梁復(fù)雜節(jié)點(diǎn)局部分析

羅 瑋 陶詩(shī)君 陳文明

(中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088)

介紹了局部分析方法在橋梁設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，并對(duì)某上承式梁拱組合橋梁進(jìn)行了局部分析，結(jié)果表明鋼結(jié)構(gòu)的受力均滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理可靠，可為類似工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

鋼橋，梁拱組合橋梁，局部分析

0 引言

大型橋梁，在當(dāng)下社會(huì)的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，已經(jīng)逐漸成為城市內(nèi)的標(biāo)志性建筑，這些橋梁除了需要滿足相應(yīng)的功能特性以外，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中更需要有美學(xué)上突出的造型設(shè)計(jì)，在橋梁整體結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)造型多樣化。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新材料、新技術(shù)不斷應(yīng)用于我國(guó)的各個(gè)行業(yè)，為不同建筑的發(fā)展與應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)與功能上進(jìn)行創(chuàng)新的可能，更對(duì)我國(guó)建筑行業(yè)提出了更加嚴(yán)格的要求，因此，在我國(guó)建筑行業(yè)的發(fā)展過(guò)程中，需要針對(duì)不同材料的功用特性對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行更加精確的計(jì)算與分析。

局部分析法指的是在整體結(jié)構(gòu)中進(jìn)行精細(xì)化的局部分析，這種方法在實(shí)際應(yīng)用中分為計(jì)算法與實(shí)驗(yàn)法，在具體的操作過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)法往往會(huì)受到很多因素的影響，致使分析結(jié)果不夠精確或者無(wú)法進(jìn)行分析，因此，在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，通常采用計(jì)算法進(jìn)行局部分析，這種算法采用大型的通用有限元程序，這些程序擁有高度的信息化，計(jì)算能力較強(qiáng)，例如ANSYS，ABAQUS，ATENA等[1,2]。

本文采用大型有限元分析軟件ANSYS，針對(duì)某上承式梁拱組合橋梁，對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算中的關(guān)鍵部位(拱腳、主梁節(jié)段)進(jìn)行了局部精細(xì)化計(jì)算分析。

1 工程概況

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，主橋?yàn)樯铣惺搅汗敖M合橋梁，橋跨設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為50+160+50=260 m。橋梁的上部結(jié)構(gòu)采用三跨連續(xù)結(jié)構(gòu)體系與雙幅分離的體系，這一鋼材結(jié)構(gòu)為橋梁主梁與橋梁拱面組合整體承載。橋梁下部結(jié)構(gòu)采用鉆孔樁作為施工基礎(chǔ)，整個(gè)樁體為混凝土結(jié)構(gòu)。

上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)之間采用豎向支座相連，單幅橋約束主3號(hào)墩兩個(gè)支座的縱橋向位移，及每個(gè)墩的內(nèi)側(cè)支座的橫橋向位移。為防止過(guò)渡墩支座出現(xiàn)脫空，過(guò)渡墩支座采用拉壓球型支座。同時(shí)，為了改善結(jié)構(gòu)的抗震性能，主橋設(shè)置了減震措施，采用了粘滯阻尼器。

全橋總體布置如圖 1所示。

2 橋梁結(jié)構(gòu)局部分析建模

2.1 局部分析法

在進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的局部分析之前，需要對(duì)橋梁整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算與分析，以此確保分析的準(zhǔn)確性與有效范圍，為之后進(jìn)行的邊界條件確定提供準(zhǔn)備。具體的局部分析實(shí)施步驟如下：

1)需要建立全橋靜力計(jì)算模型。2)需要確定模型范圍內(nèi)的邊界條件，這些條件包括荷載加載位置，約束位置及形式。利用圣維南原理，確定邊界條件的影響范圍，進(jìn)而確定局部分析模型的建模范圍。3)需要在總體模型中提取邊界桿件內(nèi)力值，提取的值點(diǎn)應(yīng)為局部分析模型與橋梁總體模型相對(duì)應(yīng)點(diǎn)(荷載組合在設(shè)計(jì)時(shí)可以在總體模型中完成)將提取的組合內(nèi)力作為邊界條件施加于局部模型中。4)進(jìn)行荷載校對(duì)時(shí)，需要對(duì)局部模型進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算分析，再取約束內(nèi)力與總體模型相應(yīng)位置處的桿件內(nèi)力進(jìn)行分析對(duì)比，以確定模型邊界及荷載取值的正確性。5)計(jì)算局部模型在各種荷載工況下的受力情形，分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性與合理性。

2.2 材料性能及參數(shù)

上部主體結(jié)構(gòu)中，板厚40 mm的鋼板采用Q390D鋼，其他板厚的鋼板均采用Q345D鋼。容許應(yīng)力是鋼材的名義屈服點(diǎn)除以安全系數(shù)，通常該安全系數(shù)取1.7，在局部分析中，考慮組合應(yīng)力結(jié)果，鋼材容許應(yīng)力尚應(yīng)取1.1的提高系數(shù),材料參數(shù)如表1所示。

表 1 材料參數(shù)

在考慮多種荷載共同作用時(shí)，鋼材容許還應(yīng)考慮表2所示的容許應(yīng)力提高系數(shù)。

表2 容許應(yīng)力的提高系數(shù)[3]

2.3 計(jì)算荷載

全橋整體計(jì)算模型主要考慮恒載、活載、溫度荷載、溫度梯度荷載、風(fēng)荷載以及支座變位等，并提取邊界桿件在最不利荷載工況下的內(nèi)力值作為邊界約束，局部模型中主要考慮結(jié)構(gòu)自重以及汽車荷載。汽車荷載按公路—Ⅰ級(jí)[4]和城―A級(jí)[5]車輛荷載計(jì)算，取兩者結(jié)果的包絡(luò)值，人群荷載按3.5 kN/m2計(jì)入。

3 結(jié)果分析

根據(jù)2.1節(jié)所述局部分析方法，采用有限元軟件 ANSYS分別建立拱腳、主梁節(jié)段的局部分析計(jì)算模型，如圖2，圖3所示。田安大橋?yàn)槿摻Y(jié)構(gòu)，模型中主梁、拱肋、立柱以及橫撐均按照實(shí)際截面尺寸大小，采用空間殼單元模擬，車輛荷載作用于鋼橋面板上。

3.1 拱腳局部模型分析

拱腳局部模型計(jì)算結(jié)果表明，整體mises應(yīng)力最大值為283 MPa(見(jiàn)圖4)，位于拱腳底板處，滿足容許應(yīng)力限值要求。豎桿應(yīng)力最大值出現(xiàn)在豎桿與拱肋連接處，局部有應(yīng)力集中，最大應(yīng)力峰值為168 MPa；橫梁整體應(yīng)力值較小，最大為72.6 MPa。

3.2 主梁節(jié)段局部模型分析

主梁節(jié)段局部模型計(jì)算結(jié)果表明，整體mises應(yīng)力最大值為279 MPa(見(jiàn)圖5)，位于主梁腹板處，滿足容許應(yīng)力限值要求。主梁頂板在車輛荷載作用處有應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值為102 MPa；主梁底板及腹板應(yīng)力值較大，最大值分別為236 MPa，279 MPa；豎桿在與頂?shù)装宓倪B接處應(yīng)力值較大，約為172 MPa，均能滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以田安大橋的局部結(jié)構(gòu)分析為例，總結(jié)性的闡述了橋梁局部分析法在橋梁設(shè)計(jì)工作中的應(yīng)用情況，通過(guò)對(duì)分析事例的了解與探究，局部分析法作為一種行之有效的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，在進(jìn)行一些具有特殊造型要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中可以發(fā)揮出極為可靠的效果，能夠在很大程度上幫助設(shè)計(jì)者做出準(zhǔn)確的判斷，對(duì)我國(guó)整體橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起到了重要作用。針對(duì)某上承式梁拱組合橋梁關(guān)鍵部位(拱腳、主梁節(jié)段)，進(jìn)行了局部精細(xì)化計(jì)算分析，分析結(jié)果表明，拱腳局部模型、過(guò)渡墩壓重區(qū)局部模型以及主梁節(jié)段模型受力驗(yàn)算滿足規(guī)范要求，可見(jiàn)本橋梁設(shè)計(jì)合理可靠，滿足相關(guān)工程技術(shù)的要求，可為類似工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

[1] 龔曙光，謝桂蘭.ANSYS操作命令與參數(shù)化編程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[2] 莊 茁.基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,2009.

[3] JTJ 025—86，公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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

[5] GJJ 11—2011，城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

On local analysis of complicated nodes on some top bearing beam-arch composite bridge

Luo Wei Tao Shijun Chen Wenming

(CCCCRoadPlanningandDesignInstituteCo.,Ltd,Beijing100088,China)

The paper introduces the application of the local analysis method in the bridge design, undertakes the local analysis of the top bearing beam-arch composite bridge, and proves the result that the stress of the steel structure meet the demands of the regulation with reasonable and reliable structural design, so as to provide some reference for similar engineering structural design.

steel bridge, beam-arch composite bridge, local analysis

2015-03-26

羅 瑋(1982- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)16-0183-02

U448.216

A