顧曉毅，袁建兵

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引言

鋼桁架拱橋具有古典、厚重的韻味，在承載文化內(nèi)涵和景觀形象的城市橋梁中，應(yīng)用較為廣泛。根據(jù)系梁、鋼拱的剛度比例關(guān)系，鋼桁架拱橋主要分為系桿拱（柔性系梁剛性拱）、洛澤拱（剛性系梁剛性拱）和蘭格爾拱（剛性系梁柔性拱）3種；根據(jù)有無(wú)水平推力，鋼桁架拱橋又可分為組合體系拱橋和簡(jiǎn)單體系拱橋[1]。無(wú)論哪種體系，鋼桁架拱橋的拱梁結(jié)合部是受力的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

圖1 、圖2為某3跨連續(xù)下承式鋼桁架拱橋，主橋跨徑布置48m+180m+48m，拱肋矢跨比1/5，橋?qū)?3.6m；柔性鋼系梁采用雙邊主梁，2片系梁通過鋼橫梁、預(yù)制鋼筋混凝土橋面板形成框架。本文主要介紹該橋拱梁結(jié)合關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)思路，并以有限元數(shù)值分析驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

圖1 鋼桁架拱橋橫斷面圖（單位：mm）

圖2 鋼桁架拱橋立面圖（單位：mm）

2 拱梁結(jié)合關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.1 中墩處主梁是否連續(xù)

中墩處主梁可采用“連續(xù)”和“斷開”2種方案。

主梁采用中墩“連續(xù)”的方案，中跨主梁和拱腳結(jié)合處不設(shè)置伸縮縫，采用固結(jié)連續(xù)。在恒載作用下，拱肋下弦拱腳處兩側(cè)主梁負(fù)彎矩可以調(diào)整為相當(dāng)，這樣拱肋下弦拱腳處恒載產(chǎn)生的彎矩值可控制在較小的范圍內(nèi)，使得拱肋下弦拱腳處基本處于軸向受壓狀態(tài)，對(duì)結(jié)構(gòu)受力有利。同時(shí)在整個(gè)276m長(zhǎng)的主橋取消2條伸縮縫，有利于提高行車的舒適性，便于結(jié)構(gòu)的維護(hù)和養(yǎng)護(hù)。

主梁采用中墩“斷開”的方案，中跨主梁成簡(jiǎn)支的索支承結(jié)構(gòu)，通過主梁吊桿將主梁重力直接傳到拱肋，拱肋的水平推力通過水平拉索來平衡，受力明確。但是由于采用桁架拱肋，拱肋的下弦拱腳和邊跨主梁相固結(jié)，邊跨主梁抗彎剛度較大，拱肋下弦抗彎剛度較小，因此固結(jié)點(diǎn)處邊跨主梁恒載負(fù)彎矩會(huì)直接傳遞到拱肋下弦拱腳，使得拱肋下弦拱腳處產(chǎn)生較大的恒載彎矩，對(duì)結(jié)構(gòu)受力不利。同時(shí)在整個(gè)276m長(zhǎng)的主橋存在4條伸縮縫，影響行車的舒適性。

2種方案在成橋恒載作用下的受力差異如表1所示[2]。

綜上分析，在主梁和拱腳結(jié)合處不設(shè)置伸縮縫，按主梁“連續(xù)”方案設(shè)計(jì)。

表1 主梁和拱腳結(jié)合處關(guān)鍵斷面受力比較[2]

2.2 中墩拱梁結(jié)合部處理

鋼桁架拱下弦、主梁結(jié)合部是主橋受力體系的重要節(jié)點(diǎn)。一方面下弦拱肋內(nèi)力通過該節(jié)點(diǎn)傳遞至主梁，拱梁產(chǎn)生的豎向荷載通過該節(jié)點(diǎn)傳遞至支座，同時(shí)，該節(jié)點(diǎn)還需承受主梁的縱向彎矩和中橫梁產(chǎn)生的橫向彎矩，受力情況復(fù)雜。

拱腳結(jié)合部有2種處理方案：方案一是保持主梁連續(xù)，拱肋與主梁頂板等強(qiáng)焊接，并在主梁內(nèi)部設(shè)置足夠剛強(qiáng)的支承隔板與拱肋傳力板件對(duì)牢，該方案受力模式較明確并使構(gòu)造處理上較為簡(jiǎn)單；方案二是保持拱肋連續(xù)穿過主梁并與主梁底緣焊接，為保證拱肋連續(xù)，主梁頂板斷開并與拱腳頂、底板等強(qiáng)焊接。

從受力機(jī)理上考慮，方案二可以保證拱肋的連貫性，并且保證拱腳結(jié)合部的整體性，但由于主梁在拱腳處縱向彎矩為最大，主梁頂板承受的拉應(yīng)力很大，頂板斷開及拱肋焊接將嚴(yán)重影響其疲勞強(qiáng)度；另外，拱肋伸入主梁內(nèi)部，將使主梁的支承隔板、加勁肋的設(shè)置非常困難，引起施工困難并使焊接質(zhì)量難以保證。因此設(shè)計(jì)中考慮采用方案一（見圖3）。

圖3 中墩拱梁結(jié)合部處理方案（單位：mm）

在構(gòu)造處理上，為了保證節(jié)點(diǎn)的整體剛度和強(qiáng)度要求，桁架下弦拱趾與拱腳主梁采用全熔透等強(qiáng)焊接的連接方式，在拱肋內(nèi)部設(shè)置人孔以便于施工作業(yè)；為了使桁架拱肋的內(nèi)力直接傳遞到主梁上，在拱腳與主梁交接處設(shè)置有相應(yīng)的支承隔板，同時(shí)使拱肋、鋼主梁的中心線和支座支承力線相交于同一點(diǎn)。

2.3 邊墩拱梁結(jié)合部處理

該節(jié)點(diǎn)為鋼拱肋上弦桿、鋼主梁和水平拉索錨固的交匯區(qū)域，在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中要求系梁和拱肋端部連接成整體，形成一個(gè)強(qiáng)大的剛性節(jié)點(diǎn)。

在受力機(jī)理上，結(jié)合部尾端錨固4根水平拉索，每根水平拉索的自身錨固荷載達(dá)到800t，水平拉索強(qiáng)大的水平拉力通過結(jié)合部在主梁、拱肋和橋面板之間分配和傳遞，結(jié)合部拱肋與主梁之間的變形體現(xiàn)為剪切變形與彎曲變形的疊加。

在構(gòu)造設(shè)計(jì)上，主要考慮結(jié)合部的整體剛度和水平拉索錨固端的局部構(gòu)造問題。拱肋尾端與主梁結(jié)合部的整體剛度對(duì)拱肋的變形控制和穩(wěn)定至關(guān)重要，在設(shè)計(jì)中設(shè)置沿結(jié)合部高度方向貫通的整體隔板以增強(qiáng)剛度；另外，考慮到拱肋的水平推力在結(jié)合部主要體現(xiàn)為拱肋與主梁之間的剪力，因此拱肋尾端與主梁結(jié)合部采用了整體腹板，以增強(qiáng)其整體性、可靠性。邊墩拱梁結(jié)合部設(shè)計(jì)見圖4。

圖4 邊墩拱梁結(jié)合部設(shè)計(jì)（單位：mm）

3 有限元分析

結(jié)合部節(jié)點(diǎn)屬于多向受力體系，應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜?？紤]到空間梁、桿單元對(duì)全橋內(nèi)力的把握具有相當(dāng)高的精度，板殼單元又能保證局部應(yīng)力的真實(shí)分布特征，因此結(jié)合部的應(yīng)力分析采用混合單元法來模擬，即在拱腳結(jié)合部采用殼單元建立局部模型，而其余節(jié)段采用梁或桿單元建立全橋整體模型，并通過交接面梁、殼單元節(jié)點(diǎn)的位移約束方程來實(shí)現(xiàn)整體與局部相協(xié)調(diào)。

混合模型在梁?jiǎn)卧蜌卧Y(jié)合部建立交接面的位移協(xié)調(diào)方程，位移協(xié)調(diào)方程采取剛性截面轉(zhuǎn)動(dòng)變形的位移模式。

有限元模擬分析時(shí)應(yīng)用與實(shí)際施工過程一致的前進(jìn)分析方法，對(duì)各施工、運(yùn)營(yíng)階段的荷載線性效應(yīng)進(jìn)行逐步累加，最終得到運(yùn)營(yíng)狀態(tài)的內(nèi)力和變形狀況。

混合有限元分析模型見圖5。

圖5 混合有限元分析模型

根據(jù)實(shí)際的施工工序，模型計(jì)算受力工況見表2。

表2 計(jì)算受力工況

各荷載工況下，拱腳、尾端結(jié)合部最大應(yīng)力分布見表3、表4。

表3 拱腳結(jié)合部最大應(yīng)力分布 單位：MPa

表4 尾端結(jié)合部最大應(yīng)力分布 單位：MPa

模型計(jì)算結(jié)果表明，結(jié)合部節(jié)點(diǎn)中各階段應(yīng)力均符合《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD64—2015）要求，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)安全可靠。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼桁架拱橋的拱梁結(jié)合部是全橋受力的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。在本工程中，遵循結(jié)構(gòu)優(yōu)化和合理構(gòu)造的設(shè)計(jì)原則，使節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度、剛度和耐久性達(dá)到理想狀態(tài)，并以有限元數(shù)值分析驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。該大橋于2009年順利建成通車，施工和運(yùn)營(yíng)中各項(xiàng)荷載檢測(cè)試驗(yàn)表明，大橋性能優(yōu)越，社會(huì)評(píng)價(jià)良好。