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        大跨鋼系桿拱橋拱腳節(jié)點受力分析及優(yōu)化設(shè)計

        2019-06-29 06:34:24陳輝
        城市道橋與防洪 2019年6期
        關(guān)鍵詞:模型

        陳輝

        (上海市政工程設(shè)計研究總院(集團)有限公司,上海市 200092)

        0 引言

        下承式系桿拱橋是無推力的拱式組合體系結(jié)構(gòu),由拱肋、系桿、吊桿相互聯(lián)結(jié)而成。由于其具有行車道建筑高度低、對基礎(chǔ)變位適應(yīng)性強、景觀效果好等優(yōu)點,正越來越多地在地質(zhì)條件差、橋下凈空受限時被采用。下承式系桿拱橋的拱腳節(jié)點是全橋結(jié)構(gòu)傳力的關(guān)鍵部位,不僅承擔(dān)著來自拱肋和系梁的內(nèi)力,還承受巨大的支座反力,以及系桿錨固局部壓力。由于拱腳節(jié)點處的結(jié)構(gòu)構(gòu)造及受力很復(fù)雜,其受載后的應(yīng)力分布用桿系理論難以給出精確的分析結(jié)果,因此有必要采用有限元法對拱腳節(jié)點進行局部受力分析,得到拱腳節(jié)點在三向受力下的空間應(yīng)力分布規(guī)律和大小,從而指導(dǎo)設(shè)計對節(jié)點構(gòu)造進行優(yōu)化,使拱腳節(jié)點的設(shè)計更加合理可靠[1-2]。本文采用通用有限元分析軟件ANSYS對青城大橋拱腳節(jié)點進行局部受力分析,得到了三向受力狀態(tài)下拱腳節(jié)點的應(yīng)力分布規(guī)律,并對該處構(gòu)造進行優(yōu)化設(shè)計。

        1 工程概況

        青城大橋工程位于四川省都江堰市濱江新區(qū),采用單跨336 m的鋼拱鋼梁下承式系桿拱橋,橋梁全長349 m,橋?qū)?0~47 m。鋼系梁由兩邊箱與中間正交異性橋面板及橫梁、挑臂組成,道路中心線處梁高3.2 m,雙邊箱截面尺寸為2.5 m(寬)×2.93 m(高),橫梁標準間距3 m。拱肋矢高為61 m,矢跨比為1/5.5,橫橋向由兩片拱肋組成,拱肋內(nèi)傾角度12°,拱肋橫向設(shè)置12道一字橫撐,順橋向間距為24 m。全橋共設(shè)26對吊索,吊索順橋向間距為12 m。系梁單側(cè)邊箱內(nèi)設(shè)4根系桿,全橋共8根系桿。橋型總體布置和橫斷面如圖1和圖2所示。

        圖1 青城大橋橋型示意圖(單位:m)

        圖2 青城大橋標準斷面示意圖(單位:m)

        2 拱腳節(jié)點構(gòu)造

        青城大橋拱腳節(jié)點總長度為18.95 m,拱腳處拱肋高度7.0 m,拱肋頂板厚度為45 mm,拱肋底板厚度為50 mm,拱肋腹板厚度為35 mm。拱腳處鋼梁車行道、非機動車道頂板厚16 mm,雙邊箱范圍系梁頂板厚16~30 mm,人行道范圍頂板厚12 mm;系梁腹板厚16~40 mm,系梁底板厚30 mm。

        根據(jù)初步設(shè)計思路,為使拱腳節(jié)點傳力平順,系梁邊箱腹板采用內(nèi)傾12°布置,與拱肋腹板對齊。由于該橋跨徑較大,拱肋寬度較寬,導(dǎo)致拱腳處系梁腹板間距比常規(guī)系桿拱橋偏大,達3.42 m。支座布置在系梁底板中間,為使拱肋和系梁的豎向力通過腹板傳遞至支座,系梁在支座處設(shè)置了3道45 mm厚的支承橫隔板。拱腳節(jié)點主要內(nèi)力傳遞路徑為:拱肋水平分力通過拱肋腹板、頂?shù)装迮c系梁頂板的水平焊縫傳遞至系梁和系桿;拱肋豎向分力及系梁剪力通過系梁腹板傳遞至3道支承橫隔板,再由支承橫隔板和支承加勁傳遞至支座。為改善支座支承隔板和系桿錨固支承板的受力,在系梁兩道腹板中間加設(shè)一道中腹板,中腹板只在拱腳節(jié)點范圍內(nèi)設(shè)置,亦采用內(nèi)傾12°傾斜布置。拱腳節(jié)點局部構(gòu)造示意圖見圖3和圖4所示。

        圖3 拱腳節(jié)點平面構(gòu)造示意圖(單位:m)

        圖4 拱腳節(jié)點斷面構(gòu)造示意圖(支座處)(單位:m)

        3 有限元模型及計算方法

        拱腳節(jié)點有限元局部分析采用“子模型法”,即先建立較為粗略的全橋板殼單元模型,再將拱腳節(jié)點局部構(gòu)造進行細化得到局部有限元子模型。由于該橋需要進行拱腳、吊索錨固、系桿錨固、橫梁等多個局部節(jié)點分析,因此先建立全橋板殼單元模型再細分為多個局部子模型是適宜的。計算分析時,模型的邊界條件、恒載、活載等均在整體模型層面進行施加,從而減小單獨建立局部模型時對邊界條件和內(nèi)力模擬不準確帶來的誤差,提高計算結(jié)果的準確性。為減小計算規(guī)模,全橋板殼模型單元尺寸采用1 m,拱腳節(jié)點處單元尺寸采用0.1~0.4 m。全橋模型和局部模型如圖5和圖6所示。

        圖5 全橋板殼單元模型

        圖6 拱腳局部有限元模型

        根據(jù)實際支座布置形式,對全橋模型施加簡支邊界條件。為準確模擬盆式支座頂面對系梁支座墊板的面支承效應(yīng),模型采用“零反力法”進行模擬。即僅對系梁支座中心位置處的節(jié)點進行約束,并對支座頂面范圍內(nèi)的系梁底板節(jié)點施加豎向均布反力;調(diào)整豎向均布反力大小,使得模型在外荷載和支座豎向均布反力作用下,支座約束節(jié)點的反力接近零,此時可認為支座處鋼板受力接近實際狀態(tài),如圖7所示。結(jié)構(gòu)一期自重通過模擬重力加速度方式施加;二期恒載、車道荷載、人群荷載均通過橋面板均布荷載方式進行施加。

        圖7 “零反力法”模擬盆式支座面支承示意圖

        4 結(jié)果分析

        進過計算,在荷載基本組合作用下,拱腳邊腹板、中腹板、支座隔板等主要板件MISES應(yīng)力分布如圖8~圖10所示。

        圖8 拱腳邊腹板MISES應(yīng)力分布圖

        圖9 拱腳中腹板MISES應(yīng)力分布圖

        圖10 支座隔板MISES應(yīng)力分布圖

        從應(yīng)力分布圖可知,進入拱腳區(qū)域后,拱肋和系梁腹板的應(yīng)力開始向支座隔板處集中,而支座隔板除支座作用區(qū)域外,隔板與腹板連接區(qū)域應(yīng)力也比較大,這基本符合拱肋內(nèi)力通過腹板傳遞至支座隔板、再通過隔板傳遞至支座的設(shè)計預(yù)期。系梁中腹板在支座右側(cè)(梁端一側(cè))的應(yīng)力也比較大,主要原因是:(1)拱肋一部分內(nèi)力通過“拱肋頂?shù)装濉盗焊舭濉盗褐懈拱濉ё甭窂竭M行傳遞,在系梁中腹板內(nèi)產(chǎn)生豎向剪應(yīng)力;(2)系梁中腹板亦作為系桿錨固部位的主要承壓板,承受來自系桿的水平壓力;剪力和壓力共同作用導(dǎo)致系梁中腹板應(yīng)力較大。

        通過對計算結(jié)果進行分析,發(fā)現(xiàn)初步設(shè)計拱腳節(jié)點構(gòu)造方案存在以下問題:

        (1)拱肋和系梁邊腹板在與支座橫隔板連接處應(yīng)力偏大,最大MISES應(yīng)力達347 MPa,超出鋼材設(shè)計強度值。其原因是拱肋內(nèi)力主要通過支座橫隔板傳遞至支座,應(yīng)力會向支座隔板處集中;且支座隔板只在系梁內(nèi)設(shè)置,拱肋腹板在與系梁頂板和支座隔板相交部位剛度存在較大突變,造成局部引力集中現(xiàn)象。

        (2)拱肋和系梁內(nèi)外側(cè)腹板受力不均,外側(cè)腹板應(yīng)力明顯大于內(nèi)側(cè)腹板。主要原因是腹板呈12°內(nèi)傾布置,而支座布置在系梁底板中央位置,此時拱肋和系梁內(nèi)力會優(yōu)先沿最短路徑傳遞,即通過外側(cè)腹板傳遞至支座隔板再傳遞至支座,因此造成系梁內(nèi)外側(cè)腹板受力不均。

        (3)支座隔板應(yīng)力水平偏大,最大MISES應(yīng)力達到375 MPa,超出鋼材強度設(shè)計值。其原因一方面是因為隔板人孔開洞導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象,另一方面同樣是因為內(nèi)力優(yōu)先沿外側(cè)腹板傳遞,導(dǎo)致支座隔板與外側(cè)腹板連接的區(qū)域應(yīng)力偏大。

        5 拱腳節(jié)點受力優(yōu)化

        針對拱腳節(jié)點受力存在的問題,設(shè)計對局部構(gòu)造提出四種優(yōu)化方案,分別如下:

        優(yōu)化方案一:將系梁中腹板向上延伸至拱肋內(nèi)部一定高度,并取消支座隔板靠近外側(cè)腹板處的人孔。此方案主要思路是通過抬高系梁中腹板,提高拱肋內(nèi)力通過中腹板向下傳遞的比例,從而減小拱肋外側(cè)腹板應(yīng)力水平,并通過取消人孔降低支座隔板靠近外側(cè)腹板處的應(yīng)力。方案一構(gòu)造見圖11所示。

        圖11 拱腳節(jié)點優(yōu)化方案一示意圖

        優(yōu)化方案二:將系梁中腹板和支座加勁板改為豎直布置,并將支座橫向位置向橋梁中心線方向偏移0.35 m,同時取消支座隔板外側(cè)人孔。此方案思路是通過中腹板和支座加勁豎向布置,提高傳遞豎向力的效率;同時支座向內(nèi)側(cè)偏移,使拱肋內(nèi)外側(cè)腹板受力更為均衡。方案二構(gòu)造見圖12所示。

        優(yōu)化方案三:將支座橫隔板向上延伸至拱肋頂板。此方案一方面可以增大支座隔板高度并增大隔板與腹板連接長度,減小支座隔板應(yīng)力水平;另一方面可以增大拱肋腹板的剛度,緩解拱肋腹板與系梁連接處的剛度突變現(xiàn)象,從而降低腹板的局部應(yīng)力水平。方案三構(gòu)造見圖13所示。

        圖12 拱腳節(jié)點優(yōu)化方案二示意圖

        圖13 拱腳節(jié)點優(yōu)化方案三示意圖

        優(yōu)化方案四:同時采取方案二和方案三的構(gòu)造優(yōu)化措施。

        通過對優(yōu)化后的拱腳局部模型進行計算,得到四種優(yōu)化方案下拱腳節(jié)點主要板件應(yīng)力情況見表1所列。

        表1 不同優(yōu)化方案應(yīng)力結(jié)果對比表 MPa

        根據(jù)計算結(jié)果得到以下結(jié)論:

        (1)方案一系梁邊腹板和中腹板應(yīng)力均有所下降,但外側(cè)腹板比內(nèi)側(cè)腹板應(yīng)力大60 MPa左右,內(nèi)外側(cè)腹板受力不均的情況依然存在;支座隔板應(yīng)力并無明顯改善,仍大于鋼材強度設(shè)計值。

        (2)方案二系梁邊腹板和中腹板應(yīng)力均有所下降,內(nèi)外側(cè)腹板應(yīng)力水平基本一致;由于提高了支座加勁傳力效率,支座隔板應(yīng)力也有所降低。

        (3)方案三對支座隔板受力改善幅度最大,同時也降低了腹板應(yīng)力水平,減小了內(nèi)外側(cè)腹板受力的不均勻性。

        (4)方案四同時采取了方案二和方案三的措施,使腹板應(yīng)力降低至210 MPa左右,三道腹板應(yīng)力基本均勻;同時支座隔板應(yīng)力降低至245 MPa,小于鋼材強度設(shè)計值。

        通過綜合對比,拱腳節(jié)點最終按照方案四的構(gòu)造方式進行優(yōu)化設(shè)計。

        6 結(jié)語

        (1)采用“子模型法”進行計算,可以降低局部模型邊界條件和荷載的施加難度,提高局部分析結(jié)果的準確性,對于需要進行多個關(guān)鍵節(jié)點局部受力分析的特大橋梁,采用這種計算方式是適宜的。

        (2)對于拱肋傾斜、系梁腹板傾斜的鋼結(jié)構(gòu)系桿拱橋,宜將支座加勁肋沿豎向布置,并將支座橫向位置向內(nèi)側(cè)偏移一定距離,以使內(nèi)外腹板受力均勻。

        (3)對于系梁腹板間距較大、通過設(shè)置強大的支座隔板傳遞豎向力的情況,拱肋與系梁、支座隔板連接處的剛度突變比較明顯,必要時可將支座隔板伸至拱肋內(nèi)部,以改善拱肋腹板的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。

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