杜春林，史建朋（重慶市市政設計研究院，重慶 400020）

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大跨徑鋼桁梁斜拉橋節(jié)點受力分析

杜春林，史建朋
（重慶市市政設計研究院，重慶 400020）

摘要：為研究白居寺長江大橋——鋼桁梁斜拉橋關鍵節(jié)點的受力行為，該文用有限元方法對其受力行為進行分析。采用有限元軟件建立節(jié)點局部模型，從整體計算分析結果中提取節(jié)點區(qū)域在最不利荷載作用下的內力，將其施加在節(jié)點局部模型中進行分析。結果表明：設計節(jié)點應力集中區(qū)域很小，其他區(qū)域應力均小于210MPa。

關鍵詞：鋼桁梁；斜拉橋；節(jié)點受力分析；有限元分析

0　引言

白居寺長江大橋系主跨為660m的公軌兩用雙塔雙索面鋼桁梁斜拉橋，橋型布置如圖1所示。橫斷面采用軌道交通和道路交通上下分層形式布置，上層橋面按照雙向8車道，兩側設置人行檢修道設計，總寬度38m，下層橋面中央設置雙線軌道，總寬19.2m（下弦桿外輪廓間寬度），如圖2所示。橋塔采用水滴形鋼筋混凝土結構，塔柱為八邊形空心薄壁截面，外輪廓尺寸5.5～10.8m（縱橋向），5.8～13.4m（橫橋向）。斜拉索采用Φ7.0 mm鍍鋅高強度低松弛平行鋼絲，抗拉強度不小于1770MPa。

鋼桁梁主桁采用三角形桁架形式，主桁中心距為18m（等間距布置），桁高12.606m，節(jié)間長度15m。上下層橋面板均采用正交異性鋼橋面板，由橋面板縱肋、橫梁及橋面板組成。橋面板和主桁弦桿頂板焊接在一起組成板桁組合結構。整個鋼桁梁由上弦桿、下弦桿、腹桿、邊縱梁、斜桿及橋面系組成，通過高強螺栓及節(jié)點板連接為整體。橫斷面如圖1所示，為倒梯形斷面。

圖1　橋型布置圖

其“連接節(jié)點”構造復雜是鋼銜梁的關鍵構造。為保證橋梁結構安全、指導設計，對鋼銜梁連接節(jié)點進行詳細的受力分析是非常必要的。而在整體結構計算分析中，很難考慮構造細節(jié)，計算結果不足以反應節(jié)點的應力分布。因此，需要在整體計算分析的基礎上，選擇受力較大且具有代表性的主桁節(jié)點，對其網(wǎng)格細化后進行局部應力分析，研究其應力分布［1-2］。

本文采用有限元數(shù)值法對白居寺長江大橋關鍵節(jié)點的受力行為進行分析。

1　節(jié)點構造

節(jié)點位置見圖2，節(jié)點構造圖見圖3。

圖2　橫斷面及節(jié)點位置示意圖（cm）

圖3　節(jié)點1、3立面圖（mm）

節(jié)點1位于上弦桿與兩根斜腹桿及上層橫梁的交點。節(jié)點2位于邊縱梁與一根斜桿及上層橫梁的交點。節(jié)點3位于下弦桿與兩根斜腹桿、一根斜桿及下層橫梁的交點，節(jié)點3有兩類節(jié)點板：一類為連接下弦桿與斜腹桿的節(jié)點板（連腹桿）、一類為連接下弦桿與斜撐的節(jié)點板（連斜撐）。

上弦桿、下弦桿分別與相連的節(jié)點板焊為一體。腹桿與上、下弦整體節(jié)點板及節(jié)點內的隔板四面對拼連接。斜桿與邊縱梁和下弦桿伸出的節(jié)點板均采用高強度螺栓拼接。

桿件斷面形式：上弦桿、下弦桿、腹桿和邊縱梁均為閉口箱形截面，斜桿為“工”型截面，上、下層橫梁為倒T形截面。

表1　局部模型荷載表（kN，m）

2　節(jié)點分析

根據(jù)整體計算分析結果選擇受力較大且具有代表性的主桁節(jié)點，采用通用的有限元軟件建立節(jié)點局部模型進行分析。

全橋整體計算模型采用空間有限元分析程序進行模擬。對于弦桿、腹桿、斜桿、橫梁、縱梁和橋塔等采用三維梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬，上下層橋面板采用板單元模擬。通過設置剛性桿件模擬橋塔與斜拉索之間的連接。各個構件截面特性按照結構實際尺寸進行取值。整體模型如圖4所示。

圖4　整體模型示意圖

參照整體計算分析結果［3］，選擇靠近主塔根部的節(jié)段為對象，分析節(jié)點受力性能。該節(jié)段節(jié)點不僅設計具有代表性，而且受力不利，其計算結果可以反映其他節(jié)點的受力性能。整體計算主梁桿件應力如圖5所示。

圖5　1/2跨主梁桿件應力示意圖（MPa）

2.1局部模型

采用大型通用有限元軟件對節(jié)段進行分析，對節(jié)點中的鋼橋面板和各個桿件的板件均采用板殼單元模擬。以縱橋向中心線為對稱軸建立1/2模型，在中心線位置施加正對稱約束，約束一端頭上下弦桿及橋面板的平動自由度，另一端施加荷載——從整體計算分析模型中提取的截面彎矩、軸力和剪力。荷載如表1所示。

為了降低局部模型邊界對分析精度的影響，滿足圣維南力學原理［4-5］，計算模型沿橋跨縱向按三個節(jié)段長度建模，橫橋向取半幅橋面。整個有限元模型擁有單元389295個，節(jié)點379747個。節(jié)段三維有限元模型如圖6所示。

圖6　節(jié)段模型

2.2材料參數(shù)

各板件全部選用Q370鋼材，容重γ=78.5kN/m；彈性模量E =2.1×106MPa。表2為各桿件的板厚。

表2　節(jié)點區(qū)域主要桿件材料表

為避免邊界條件帶來影響，截取中間段模型提取結果。節(jié)點局部分析模型Von Mises應力云圖如圖7-圖9所示。

圖7　節(jié)點1 Von Mises應力圖（MPa）

圖8　節(jié)點2 Von Mises應力圖（MPa）

圖9　節(jié)點3 Von Mises應力圖（MPa）

由云圖可知：節(jié)點1應力集中點（應力云圖中MX的位置）位于腹桿端部和節(jié)點板交接點；節(jié)點2應力集中點位于節(jié)點板與邊縱梁肋板相交開孔位置；節(jié)點3應力集中點位于節(jié)點板與斜桿翼緣端部交接點。從圖中可以看出，各應力集中點區(qū)域很小，且應力幅衰減迅速，未向周邊區(qū)域傳遞，故不予考慮。

扣除應力集中點區(qū)域，其他區(qū)域應力分布趨于均勻，應力結果如表3-表5所示。節(jié)點1最大應力構件為節(jié)點板及腹桿腹板，其最大mises應力分別為199MPa、190MPa；節(jié)點2最大應力構件為邊縱梁頂板及節(jié)點板，其最大mises應力分別為202 MPa、198MPa；節(jié)點3最大應力構件為下弦桿底板及腹桿頂?shù)装澹渥畲髆ises應力分別為210 MPa、208MPa。

3　結語

對于倒梯形鋼桁梁斜拉橋這樣復雜的橋梁，有必要在全橋整體計算分析的基礎上，考慮節(jié)點的局部構造細節(jié)，對節(jié)點建立更精細的有限元模型，從而獲得節(jié)點部位詳細的應力分布。

針對白居寺長江大橋關鍵節(jié)點的計算結果表明：在最不利荷載工況下，鋼桁梁各節(jié)點應力集中區(qū)域很小，且應力幅衰減迅速，未向周邊區(qū)域傳遞，設計時可不考慮應力集中區(qū)域；其他區(qū)域Mises應力趨于均勻，且均小于210 MPa。

表3　節(jié)點1各桿件應力表（MPa）

表4　節(jié)點2各桿件應力表（MPa）

表5　節(jié)點3各桿件應力表（MPa）

參考文獻：

［1］重慶交通科研設計院，JTG/T D65-01-2007公路斜拉橋設計細則［S］.北京：人民交通出版社，2007：16.

［2］靳飛.京滬高速南京大勝關長江大橋節(jié)點受力性能研究［D］.長沙：中南大學，2007：9.

［3］重慶市市政設計研究院.重慶白居寺長江大橋總體計算分析報告［R］.重慶：重慶市市政設計研究院，2016：33-34.

［4］方志.上海閔浦二橋鋼桁梁節(jié)點的應力分析［J］.交通科技，2009（4）：4-6.

［5］田平虎，李聞濤.某斜拉式桁架橋節(jié)點局部應力仿真分析［J］.公路工程與運輸，2009（4）：38-42.

責任編輯：孫蘇，李紅

史建朋（1986-），男，河北石家莊人，研究生，工程師，主要從事大跨度橋梁結構設計工作。

中圖分類號：［TU997］，U443

文獻標識碼：A

文章編號：1671-9107（2016）07-0043-03

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2016.07.043

收稿日期：2016-06-15

作者簡介：杜春林（1976-），男，河北唐山人，研究生，高級工程師，主要從事橋梁及特種結構設計工作。

Joints Stress Analysis of Cable-stayed Bridge of Large-span Steel Truss

Abstract：To study the mechanical behaviors of the key joints of cable-stayed bridge of steel truss girder，named Baijusi Changjiang Bridge，the finite element method is applied.With the finite element software，partial joint model is established.The internal force of the joint region under the worst loading impact is extracted from the whole calculation and analysis results，and is analyzed in the model.The results show that the stress concentration area of the designed joint is small，with the stress in other regions less than 210MPa.

Keywords：steel truss girder；cable-stayed bridge；stress analysis of joints；finite element analysis