艾溪湖大橋局部受力分析

張 琳，曾天寶

（1.江西省交通科學(xué)研究院，江西 南昌 330038；2.南昌市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院，江西 南昌 330038）

0 前言

異型拱橋作為一種新興橋型，以其獨(dú)特的美學(xué)效果，隨著拱橋結(jié)構(gòu)分析理論的完善，以及施工工藝的突破得到了飛躍式的發(fā)展[1-3]。由于異型拱橋結(jié)構(gòu)的特殊性，受力比較復(fù)雜，除了對(duì)其進(jìn)行整體計(jì)算外，對(duì)異型系桿拱橋局部受力性能的研究顯得十分有必要。本文對(duì)南昌市艾溪湖大橋局部受力性能進(jìn)行研究，將研究結(jié)果作為施工依據(jù)，也為類似橋型的計(jì)算提供參考。

1 工程概況

艾溪湖大橋是南昌市“三環(huán)十一射”路網(wǎng)骨架中主要放射性道路北京路—紫陽(yáng)大道上重要的城市橋梁，東西橫跨艾溪湖。主橋以對(duì)稱傾斜拱結(jié)構(gòu)與橋外伸出的半圓人行道等相對(duì)，寓意“張開(kāi)雙臂、擁抱藍(lán)天”，也預(yù)示南昌市美好的未來(lái)與日同輝。主橋效果圖如圖1所示。

圖1 艾溪湖大橋景觀效果圖

1.1 主橋橋型總體布置

主橋?yàn)槿邕B續(xù)外傾式四索面下承式鋼箱系桿拱橋，橋長(zhǎng)168 m。主跨108 m，兩邊跨各30 m。車(chē)行道全寬31 m，拱側(cè)人行道由橋端位置寬5.0 m按曲線漸變到主跨跨中位置寬7.5m。如圖2所示。

圖2 艾溪湖大橋立面圖（單位：cm）

1.2 鋼箱梁構(gòu)造

鋼箱梁分為主跨和副跨兩部分。

主跨橫斷面由三個(gè)鋼箱梁組成，即兩側(cè)非機(jī)動(dòng)車(chē)道鋼箱梁和機(jī)動(dòng)車(chē)道鋼箱梁。其中機(jī)動(dòng)車(chē)道鋼箱梁為等截面，寬41 m，截面高度為1.59～2.0 m。兩側(cè)非機(jī)動(dòng)車(chē)道鋼箱梁平面變寬，寬度為5～7.5 m，梁截面高度為1.59 m。

副跨鋼箱梁為等截面，截面寬42 m，截面高度為1.59～2.0 m（見(jiàn)圖3）。箱梁橫向設(shè)置9道腹板。其余同主跨機(jī)動(dòng)車(chē)道鋼箱梁結(jié)構(gòu)。

圖3 艾溪湖大橋副跨橋鋼箱梁截面圖（單位：mm）

1.3 拱圈構(gòu)造

拱圈由主拱和裝飾拱組成。主拱圈橫截面為變截面，拱頂截面為1.5m×1.3m，拱底截面為2.5m×2 m。主拱拱腳中心與箱梁中心線橫向水平距離18.5 m。主拱圈與裝飾拱之間采用連接桿連接。連接桿截面為1.5 m×0.4 m（見(jiàn)圖4）。

1.4 吊桿構(gòu)造

圖4 艾溪湖大拱截面圖（單位：mm）

吊桿分內(nèi)側(cè)吊桿和外側(cè)吊桿。外側(cè)吊桿采用19φ5平行鋼絲束，與非機(jī)動(dòng)車(chē)道箱梁外緣相連，一側(cè)共有23根；內(nèi)側(cè)吊桿91φ5平行鋼絲束，與車(chē)行道箱梁相連，一側(cè)共有25根。內(nèi)側(cè)吊桿D=0.055m（91φ5），外側(cè)吊桿 D=0.025 m（19φ5）。

1.5 主要技術(shù)指標(biāo)

主要技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）設(shè)計(jì)行車(chē)速度：V=60 km/h。

（2）橋面寬度：

主橋總寬41～73 m，73 m斷面組成為：1.5 m（吊索區(qū)）+7.5 m（人行道）+7 m（鏤空段）+5 m（吊索區(qū)）+15.25m（機(jī)、非混合道）+0.5m（防撞墩）+15.25m（機(jī)、非混合道）+5 m（吊索區(qū)）+7 m（鏤空段）+7.5m（人行道）+1.5m（吊索區(qū)）。

（3）橋面橫坡為2%。

（4）橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100 a，環(huán)境類別Ⅰ類。

（5）荷載等級(jí)：公路 -Ⅰ級(jí)：人群：3.5 kN/m2。

2 結(jié)構(gòu)局部計(jì)算分析

2.1 拱腳局部分析

2.1.1 模型建立

模型采用Auto CAD建模，然后導(dǎo)入ANSYS9.0（見(jiàn)圖 5）。

圖5 拱腳空間實(shí)體模型

幾何模型：拱腳部分主拱圈截長(zhǎng)為4 m左右（近似采用等截面2 500 mm×2 000 mm）；主梁截取縱向?yàn)? m，橫向?yàn)? m，并以拱腳中心點(diǎn)對(duì)稱布置，拱腳部分箱梁頂?shù)装搴? cm。錨箱設(shè)置于兩橫隔板之間，平面尺寸為4 m×4 m。縱向設(shè)置6道主加勁板，板厚40 mm，板高200 mm，設(shè)置位置均勻分布在拱腳平面；橫向設(shè)置沿拱腳橫截面方向設(shè)置2道加勁板，板厚40 mm。在頂板設(shè)置網(wǎng)格狀局部加勁肋，肋高40 cm，板厚為3 cm；并沿拱腳底截面設(shè)置一圈加勁肋，肋高40 cm，板厚為3 cm。在底板設(shè)置網(wǎng)格狀局部加勁肋，分為主肋和次肋。主肋在底板縱橫向設(shè)置，高40 cm，板厚為4cm；次肋進(jìn)行局部加密，高30 cm，板厚為2 cm。在拱腳底部中心位置設(shè)置一支座位置，平面1 000mm×1 000mm。在拱腳端部設(shè)置拱腳系桿錨固端，由錨墊板、傳力板、加勁板和錨道管加勁肋組成。外圍大致尺寸為66 cm（長(zhǎng)）×70 cm（高）×95 cm（寬）。錨道管（外徑為40 cm，管壁厚3 cm）穿過(guò)錨箱并與相交板肋焊接。錨固端各組成鋼板板厚均為4 cm厚。

力學(xué)模型：?jiǎn)卧獮镾OLID45和MASS21。各實(shí)體間連接為粘結(jié)，近似模擬焊接。

2.1.2 邊界條件及施加力

（1）主梁頂?shù)装褰財(cái)噙吔纾簷M向采用面位移全約束、縱向采用位移全約束，支座鋼板底部采用UZ向約束。

（2）拱圈截面內(nèi)力采用整體計(jì)算內(nèi)力（拱腳部位），施加力如下：

FX=-17 794.6 kN，MY=-8 965.9 kN·m，F(xiàn)Z=269.6 kN，MX=586.6 kN·m，

MZ=-1 8357.9 kN·m，F(xiàn)Y=323.1 kN

（3）一側(cè)系桿力施加4 000 kN，施加于錨道管端部（考慮最不利由錨道管傳力，這樣安全一點(diǎn)），均布力為 115MPa（σ=4 000×10-3/0.034 87=114.7）。

（4）拱圈截面加載時(shí)在ANSYS9.0中在截面中心位置設(shè)置一輔助點(diǎn)（MASS21），在該節(jié)點(diǎn)設(shè)置局部坐標(biāo)系，并建立截面剛域；然后在該點(diǎn)加載。

（5）結(jié)構(gòu)考慮重力，g=9.8 N/kg。

2.1.3 結(jié)果分析（見(jiàn)圖6）

圖6 拱腳計(jì)算云圖

該項(xiàng)目分別提取了拱腳各個(gè)組成部分最大應(yīng)力：

主拱圈應(yīng)力：MAX=230 MPa（位于拱圈根部外側(cè)與頂板相交處）

主加勁肋：MAX=243 MPa（位于與底板應(yīng)力大點(diǎn)對(duì)應(yīng)處）

頂板加勁肋：MAX=248 MPa（位于與主拱圈應(yīng)力大點(diǎn)對(duì)應(yīng)處）

底板加勁肋：MAX=200 MPa（位于與支座位置對(duì)應(yīng)處邊緣）

頂板：MAX=108 MPa（對(duì)應(yīng)拱腳內(nèi)側(cè)角部位置）

底板：MAX=197 MPa（在支座角部位置）

錨道管：MAX=115 MPa（系桿力施加面）

錨固張拉端：MAX=162 MPa（錨道管與張拉墊板相交處）

經(jīng)計(jì)算，以上應(yīng)力結(jié)果表明拱腳局部計(jì)算滿足強(qiáng)度要求。

2.2 吊桿主梁錨固點(diǎn)分析

2.2.1 模型建立

模型采用AUTOCAD建模，然后導(dǎo)入ANSYS9.0。

幾何模型：錨固點(diǎn)設(shè)置在梁底，錨道管中心線與主梁橫隔板重合；主梁截取錨道管周邊梁體（縱×橫=2 m×2 m）。錨道管內(nèi)壁直徑120 mm，壁厚20 mm；錨道管伸出梁底100 mm。沿錨道管均布4道加勁肋板（與錨道管垂直），尺寸為300 mm×300 mm，板厚10 mm。并沿錨道管縱向兩側(cè)設(shè)置加勁肋（主梁范圍內(nèi)），肋板厚14 mm。錨道管處橫隔板厚14 mm。實(shí)體空間模型如圖7所示。

圖7 吊桿主梁錨固點(diǎn)空間模型

力學(xué)模型：?jiǎn)卧獮镾OLID45。

2.2.2 邊界條件及施加力

（1）各實(shí)體間采用粘結(jié)，以模擬焊接；

（2）主梁截取邊界面均采用面全約束；

（3）施加吊桿集中力為1 000 kN，以均布面壓力荷載施加于錨道管底部截面；

（4）結(jié)構(gòu)考慮重力，g=9.8m/s2。

2.2.3 計(jì)算云圖和結(jié)果（見(jiàn)圖8）

（1）錨道管：MAX=191 MPa（錨道管張拉端部與主梁相交處）

（2）主梁：MAX=230 MPa（部位同上）

圖8 計(jì)算云圖

（3）加勁肋（縱向和橫向）：MAX=119 MPa（在縱肋底板處）

從圖8中可看出，應(yīng)力最大值出現(xiàn)于相交點(diǎn)應(yīng)力集中部位；結(jié)果表明張拉端滿足強(qiáng)度要求。

2.3 吊桿拱頂錨固點(diǎn)梁段分析

2.3.1 模型建立（見(jiàn)圖9）

圖9 拱頂錨固點(diǎn)實(shí)體模型

模型采用AUTOCAD建模，然后導(dǎo)入ANSYS9.0。

幾何模型：取拱頂6 m截段（近似采用等截面1 500 mm×1 300 mm），頂部設(shè)一道橫隔板，以橫隔板對(duì)稱布置。拱圈壁厚40mm。橫隔板板寬20mm，板中心留一橢圓型孔洞（350mm×450mm），邊緣設(shè)鑲邊板，板厚10mm，板寬120mm。拱圈內(nèi)側(cè)均勻設(shè)置9道加勁縱肋，肋厚20mm。在拱圈下方正對(duì)橫隔板位置并順拉索方向設(shè)置錨拉耳，板厚40mm，中心設(shè)置圓形孔洞，直徑100 mm。

力學(xué)模型：?jiǎn)卧獮镾OLID45和MASS21。

2.3.2 邊界條件及施加力

（1）各實(shí)體間采用粘接，拱圈截?cái)噙吔绮捎妹嫒s束。

（2）在各圓柱型輔助桿件兩端截面施加面集中力，施加方法同拱腳計(jì)算。施加力：內(nèi)側(cè)吊桿力F=1 200 kN，外側(cè)吊桿力F=120 kN。施加力分解成Y、Z方向。

（3）結(jié)構(gòu)考慮重力，g=9.8m/s2。

2.3.3 計(jì)算云圖和結(jié)果（見(jiàn)圖10）

結(jié)果顯示如下：

拱圈壁應(yīng)力：MAX=77 MPa

縱向肋：MAX=114 MPa

橫隔板：MAX=147MPa

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)艾溪湖大橋拱腳、吊桿主梁錨固點(diǎn)、吊桿拱頂錨固點(diǎn)的局部分析，計(jì)算結(jié)果表明，該橋的局部應(yīng)力值滿足規(guī)范要求，但是比整體分析數(shù)據(jù)[4]大很多，所以對(duì)橋梁的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析是很有必要的。

[1]王瑋瑤，李生智，陳科昌.異型系桿拱橋[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，1996，9（l）:46-50.

[2]李生智，王瑋瑤，烏腸妙年.異型拱橋[M].北京:人民交通出版社，1996.

[3]李傳習(xí).夏桂云.大跨度橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算理論[M].北京：人民交通出版社，2003.

[4]歐陽(yáng)錦，曾天寶，等.艾溪湖大橋受力性能分析[J].中外公路，2012，32（3）:146-150.