九堡大橋設計過程復雜節點局部分析

于 剛

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 前言

大型橋梁，尤其是在城市內建設的橋梁，由于其社會影響范圍廣，更多的被賦予城市或地區性標志建筑物的期望，除滿足使用功能外，還要有美學上的造型要求。設計人員要在構造的多樣化要求下進行設計，除了全橋總體計算分析外，還增加了對復雜部位進行詳細局部分析的需求。另外，新材料的發展以及不同建筑材料在同一結構中的應用，也對設計提出了更高的要求，為了能夠把握不同材料在同一結構中協同工作的性能，需要對設計過程進行精細化計算分析。再者，橋梁設計中，需要充分考慮到結構實現所采用的施工方法，對施工過程中結構的不利荷載狀態需要有所把握，尤其采用新的施工方法時，精細化的結構局部分析更是有力的輔助。

局部分析是相對于結構整體計算而言的。局部分析方法可以分為實驗方法以及計算方法兩個大類，實踐中，由于實驗方法受到多重因素的影響，并且考慮到時間和經濟效益，一般極少采用。計算方法主要是指采用大型通用有限元程序進行空間分析，隨著計算機技術進步以及有限元分析軟件建模功能以及后處理功能的增強，這種方法更容易被工程師們接受。

九堡大橋為杭州錢塘江上規劃建設的10座大橋之一，是杭州市的市區橋梁，在方案階段就以地標性建筑物的高標準為指導，要兼顧安全、經濟、適用和美觀的要求。經過多方面比選，主橋最終采用了具有外傾主拱以及空間曲線副拱造型的三跨連續組合拱橋方案[1-2]。大橋全長1 855 m，孔跨布置為：北引橋55 m+2×85 m+90 m，主航道橋3×210 m，南引橋90 m+9×85 m+55 m。其中主航道橋總體布置參見圖1所示。施工中創新采用梁拱組合體系整體頂推施工方法。設計過程結合整體計算分析，對結構進行了多點局部空間計算分析，分析結果為設計以及施工的實現提供了有力的輔助。

1 復雜節點局部分析方法

1.1 局部分析需求

大型橋梁的局部分析需求主要來自于以下3個方面：復雜部位構件設計需求；有集中荷載作用的局部穩定性分析；與施工方法相關的局部分析。

橋梁結構中復雜部位一般指構件連接節點位置，這種位置由于受到來自于構件不同方向作用的內力，受力狀況比較復雜，若不采用空間分析，很難對不同構件之間的內力分配關系做出判斷。在九堡大橋中，拱梁節點就屬于這種情況。如圖2所示，拱梁節點處有5個主要構件相交，分別是主縱梁、拱肋、系桿和2根端橫梁，節點處受力復雜，若不采用空間計算分析，難以判斷各個構件的受力情況，因此，拱梁節點是設計過程中必須要進行精細分析的重點部位。

局部穩定性分析一般針對鋼結構橋梁，鋼結構板件多采用設置加勁肋來保證穩定性，加勁肋設置的多少以及所關注板件的厚度可采用局部穩定性分析的方式進行確定。在九堡大橋中，由于采用上部結構整體頂推施工，頂推過程支點作用在主縱梁底部，為確保施工過程不出現失穩破壞，對主縱梁支點范圍腹板進行了局部穩定性分析，如圖3所示。需要指出的是，在頂推施工過程中，主縱梁有多處經過頂推支撐點，在進行局部分析前，需要在結構整體計算中模擬頂推的整個過程，分析頂推過程中主縱梁最不利支撐點受力狀態。

圖1 九堡大橋主橋總體布置圖（單位：m）

圖2 拱梁節點位置及空間模型

圖3 施工過程局部穩定性分析位置及空間模型

與施工方法相關的局部分析在九堡大橋的設計中體現得最為明顯。由于施工過程會出現施工臨時荷載，同時整個橋梁受力體系還沒有完全建立的情況下，最不利受力狀態有可能出現在施工過程中。為確定施工方法的可行性，需要對施工階段中出現的不利狀態進行計算分析。如圖4所示，九堡大橋在頂推過程中，在拱和梁之間設置臨時撐桿以保證拱梁頂推過程整體受力及穩定性，撐桿節點處會出現撐桿軸壓力、支座反力、剪力均最大的情況，因此要對該工況下主縱梁節點進行局部應力分析。施工措施中還采用了導梁以避免主結構出現大懸臂狀態，為確保主結構的安全，設計中對導梁與拱梁節點相交位置進行了局部應力分析。

圖4 施工過程局部應力分析位置及導梁連接點空間模型

圖2～圖4僅列出九堡大橋部分節點位置作為說明，九堡大橋根據局部分析需求而確定的其他分析部位參見表1所示。

表1 九堡大橋局部分析部位

1.2 局部分析步驟

橋梁結構局部分析之前，應做好結構整體分析，為確定局部分析范圍及邊界條件做好準備。進行局部分析應該遵循如下步驟，并以拱梁節點的應力分析為例進行說明：

（1）建立幾何模型。幾何模型建立可根據所采用分析工具靈活選擇，九堡大橋局部分析采用大型通用有限元軟件Ansys進行建模分析，模型建立時可借助于Autocad三維建模功能。建模時靈活運用布爾運算會起到事半功倍的效果。建模基本過程如圖5所示。

圖5 拱梁節點邊界條件

（2）確定模型范圍內的邊界條件，其中包括荷載加載位置，約束位置及形式。九堡大橋拱梁節點的邊界條件處理參見表2及圖5所示。

模型中選取支座作用范圍為1 800 mm×1 800 mm，對此范圍內節點的UX、UY、UZ三個方向的自由度進行約束。兩根橫梁端部由于距離節點較遠，可進行約束處理，基本不會影響結果精度。

（3）在總體模型中進行荷載取值，取值點應為局部分析模型與總體模型相對應點。要做到精確，在局部建模時，要根據整體模型中單元節點位置來確定局部模型的建模范圍。

表2 拱梁節點模型構成

（4）荷載校對。將加好約束以及荷載的局部模型進行計算，取約束內力與總體模型相應位置內力進行對比，以確定加載正確。九堡大橋拱梁節點模型取在活動支座端，用支座反力與Midas計算結果進行對比來判斷模型受力是否合理。在理想狀態下，模型支座豎向反力接近Midas整體計算結果，同時，其他方向反力接近于0。

（5）進行計算及荷載組合，其中荷載組合可以在總體模型中完成，提取組合之后的邊界力加于局部模型，亦可在總體模型中取單項荷載，在局部分析模型計算結果中進行組合。九堡大橋局部分析中采用了在局部分析計算結果中進行組合的方式，以拱梁節點分析為例，表3列出了進行應力分析的荷載單項及組合方式。

1.3 局部分析的結果分析

局部分析結果盡量以圖的形式呈現，具有直觀易懂的特點。對局部分析計算所得結果結合材料性能指標以及設計技術標準進行判斷，對不合理之處找出原因及時調整，最終獲得可用結果。結合工程實踐，本文對局部分析中容易出現的問題進行分析總結，在下一節進行了闡述。本節針對九堡大橋局部分析的主要內容，有選擇性地列出部分分析結果，參見表4所示。

表3 拱梁節點計算工況及組合

全橋局部分析位置眾多，工況也眾多，在此僅說明性地列出了幾種有代表性的示例，另外，結果分析時可以取其中任意板件單獨進行應力查看，在此不再贅述。

2 局部分析應注意的問題

（1）局部計算往往涉及模型及工況眾多，需要統一編號，便于區分。九堡大橋局部分析計算模型多達10個，在比較計算分析過程中，采用精細化的分析，模擬頂推施工過程，再加上設計過程的調整，驗算工況總計有上百種之多，若不能做好文件命名規劃，容易出現錯誤。

（2）注意總體計算采用軟件對單元內力方向的約定與局部分析用軟件對單元內力方向的約定之間的區別。各個有限元軟件都有對單元坐標方向的約定，由于結構整體分析與局部分析所采用軟件往往不同，應該注意區分，防止內力加錯方向。

（3）由于局部分析采用了空間模型，計算分析代價都較高，應該在總體計算模型中做好定性判斷，盡可能減少需要進行局部分析的工況數量。

（4）局部分析模型尺寸選擇應該注意邊界條件局部影響范圍，同時要注意尺寸范圍內邊界條件的簡化。以九堡大橋拱梁節點為例（見圖2），若將主拱模型范圍擴大，將會涉及到一根吊桿，這無疑會增加邊界條件的復雜性。

（5）注意局部分析模型范圍內荷載的完整性。仍舊以九堡大橋拱梁節點為例（見圖2），其中涉及到的荷載包括2根橫梁內力，支座反力，主縱梁內力，主拱內力，副拱內力，橋面板重量，節點板件自重以及系桿拉力，若忽略了其中任何一個，都會影響模型分析的準確性。

表4 代表性局部分析結果及分析

3 結語

本文總結闡述了設計工作中的橋梁局部分析方法，并以杭州九堡大橋局部分析為例進行了算例說明。對局部分析從分析需求、分析步驟以及需要注意的問題等幾個方面進行了總結。從九堡大橋設計實踐過程中可以看到，局部分析作為橋梁結構設計的有力工具，尤其在一些具有造型需求的結構設計以及采用創新性施工方法探索過程中，能夠協助設計人員做出明確的判斷，對橋梁結構設計起到了不可或缺的重要作用。

[1]邵長宇.九堡大橋組合結構橋梁的技術構思與特色[J].橋梁建設，2009(6):42－45.

[2]張春雷.九堡大橋主航道橋副拱設計與制造特點[J].城市道橋與防洪，2010(10):78-82.