空間鉆石型鋼塔梁柱連接節點力學特性分析

陳鴻煒 蘇慶田 吳 沖 孫旭霞

(1．同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，上海200092;2．同濟大學橋梁工程系，上海200092)

1 引言

隨著我國經濟的迅猛發展，橋梁除了滿足結構安全、經濟適用外，人們越來越重視橋梁藝術和美學，一大批結構形式新穎、造型別致的橋梁相繼建成。其中，斜拉橋異形鋼橋塔就是有別于傳統橋塔的一種新穎的結構形式［1，2］。異形斜拉橋除了具有一般斜拉橋的共性之外，還有自身獨特的特點。這些異形橋塔構造復雜、傳力機理不明確，傳統的桿系計算理論是否可以滿足設計要求存在疑問。目前在建筑結構中對于梁柱連接節點研究較多［3-8］，而對于橋梁結構空間異形塔的梁柱連接節點研究較少。本文結合范蠡大橋對橋塔的梁柱節點分析其受力特點，得到的相關結論可為類似工程參考。

2 工程背景

背景工程范蠡大橋是一座全鋼結構三塔單索面斜拉橋，跨徑布置為(82+168+168+82)m，如圖1所示。該橋橋塔為空間鉆石形，由4根塔柱構成，如圖2所示。塔柱為鋼結構八邊形截面，四根塔柱之間采用上、中、下三組橫梁相連。范蠡大橋橋塔中每個塔柱的上下塔柱交匯處分別與兩道橫梁相連。上下塔柱的軸線斜交，上下塔柱交匯點同時又要連接兩道截面形式為四邊形的橫梁;采用鋼板圍成的箱形塔柱和橫梁內部還需布置加勁肋和隔板，該部位的板件空間錯落交匯，結構形式復雜。梁柱連接節點是把上塔柱的力傳到下塔柱的關鍵部位，由于上下塔柱的軸線斜交，使得該部位的板件受力極其復雜。

圖1 范蠡大橋總體布置圖(單位:m)Fig．1 General layout of Fanli Bridge(Unit:m)

圖2 范蠡大橋橋塔構造圖及梁柱節點構造圖(單位:mm)Fig．2 Pylon and beam-column joint structure details(Unit:mm)

3 計算模型

為了分析梁柱節點的受力性能，采用大型通用有限元程序ANSYS建立全橋桿系模型，如圖3(a)所示，以及中間橋塔的空間板殼有限元模型，如圖3(b)所示，其中梁柱節點的詳細局部模型，如圖3(c)所示。模型采用BEAM188單元模擬全橋、SHELL63單元模擬塔柱。模型中鋼材彈性模量取2．1 ×108kN/m2，容重取 78．5 kN/m3。

荷載取最不利荷載組合進行驗算，單根拉索索力如表1所示。表中錨箱編號1～9分別是塔柱從上到下的9個錨箱編號。將斜拉索與平行索的索力以面荷載的形式施加于錨箱承壓板上。考慮錨箱承壓板對應力的擴散作用，荷載作用于承壓板圓環面積上。邊界條件是將塔柱底部固結。

圖3 結構模型示意圖Fig．3 Structure model

表1 最不利荷載組合索力Table 1 The most undesirable cable forces kN

4 計算結果

4．1 塔柱受力分析

塔柱各個板件編號如圖4所示，其中UW代表梁柱節點上塔柱，DW代表梁柱節點下塔柱。斜拉橋索力通過節點上塔柱傳遞至梁柱連接節點，之后梁柱連接節點將大部分荷載傳遞至下塔柱。為了清楚描述八邊形塔柱各個板件承擔荷載情況，計算了橋塔各個板件的軸力，得到各個板件承擔軸力比例如表2所示。

圖4 塔柱板件編號示意圖Fig．4 Pylon plate lable

從表2可以看出，梁柱節點上塔柱與下塔柱的各個板件承擔豎向壓力比例基本相同。在彎矩作用下，塔柱內側的板件承擔較多的豎向壓力，板件UW(DW)-1、7、8三塊板件的豎向壓力為總豎向壓力的60%～65%。UW-8和DW-8承擔的豎向壓力最多，分別承受28．11%和25．80%的豎向壓力。

表2 塔柱板件軸力分配比例Table 2 Axial force sharing ratios for pylon plates

4．2 橫梁受力分析

圖5為節點橫梁的剪應力分布圖。在空間鋼框架結構中，橫梁主要起到傳遞荷載的作用。從圖5(a)和圖5(b)可以看出，橫梁頂底板的剪應力在彎折處出現極值，頂板最大剪應力約為25 MPa，底板最大剪應力約為26．6 MPa;而板中其他部分的剪應力分布較為均勻。從圖5(c)和圖5(d)可以看出，橫梁腹板的剪應力在與頂底板相交處出現極值，內側腹板最大剪應力約為7．5 MPa，外側腹板最大剪應力約為35 MPa;遠離節點處的橫梁腹板剪應力較為均勻。從圖中的剪應力分布情況來看，橫梁在梁柱連接節點附近主要受到橫向彎曲并伴有扭轉作用，這與一般的梁柱節點受力不同。

圖5 橫梁剪應力分布圖(單位:kPa)Fig．5 Beam shear stress contour(Unit:kPa)

4．3 節點受力分析

通過有限元模型計算分析，得到梁柱連接節點的詳細受力情況。這里選取有斜拉索錨固塔柱的梁柱連接節點進行板件受力特性分析。

圖6為梁柱連接節點Mises應力分布圖。從圖中可以看出，梁柱連接節點內側的應力明顯高于節點外側，節點內側應力分布不均勻。梁柱連接節點在塔柱與橫梁相交處出現應力集中，最大Mises應力約為210 MPa，其他部位板件的Mises應力大部分在140 MPa以下。梁柱節點內側應力擴散很快，上下塔柱Mises應力大部分在90 MPa以下。橫梁的Mises應力外側高于內側，但總體水平不高，約50 MPa。

圖6 梁柱連接節點Mises應力分布圖(單位:kPa)Fig．6 Beam-column joint Mises stress contour(Unit:kPa)

計算分析表明，梁柱連接節點板件的Mises應力在板件相交處較大，但均未超過材料的屈服應力，結構安全。

為了進一步地分析梁柱連接節點壁板的受力情況，選取圖 7 所示的 A—A、A'—A'、B—B、C—C和C'—C'五個斷面，分析壁板在荷載作用下的豎向應力分布。

圖7 梁柱節點示意圖Fig．7 Beam-column joint

從圖8中可以看出，壁板豎向正應力在節點與塔柱相交面附近(A—A、A'—A'、C—C 和C'—C')分布不均勻，在節點內部(B—B)分布較為均勻。

從圖8(a)和圖8(e)中可以看出，A—A和C—C位置處壁板在距離形心約為－1 m和－2 m距離處出現應力的突然變化，這是由于壁板彎折出現剛度突變而導致的。從圖8(b)和圖8(d)中可以看出，由于橫梁頂板加勁肋對于節點壁板的約束作用，在A'—A'和C'—C'位置處壁板與橫梁相交部分出現復雜的波動變化，其波動變化較大，個別位置應力已經超過了梁柱連接節點下翼緣應力。從圖8(c)可以看出，在節點中央(B—B)，壁板應力變化均勻，但在距離形心1 m處由于壁板彎折而導致應力曲線的斜率發生變化，而在形心位置以下部分板件由于橫梁的約束作用而使得應力曲線的斜率基本保持恒定。

通過對比桿系模型和板殼模型在各個斷面處的計算結果可以發現(見表3)，除了B—B斷面外，其他位置處兩種計算模型的結果偏差較大，最大偏差為20．11%。而B—B斷面處兩種計算模型的結果吻合較好，最大壓應力偏差為7．36%，最大拉應力偏差為0．53%。

表3 梁柱連接節點壁板豎向應力極值Table 3 The maximum and minimum stress of wall panels in the beam-pylon joint

5 結論

圖8 梁柱連接節點壁板豎向正應力Fig．8 Normal stress of wall panels in the beam-column joint

本文以宜興范蠡大橋為背景，通過建立空間桿系和板殼有限元程序，對梁柱連接節點板件應力狀態等方面進行研究分析。分析表明:

(1)梁柱連接節點上下塔柱各板件承擔荷載比例基本相同，塔柱內側板件承擔了60%～65%的軸力。橫梁各個板件剪應力較小，在梁柱連接節點附近受到橫向彎曲和扭轉作用。

(2)梁柱連接節點各板件受力復雜，應力變化較大。各板件Mises應力在210 MPa以下，高應力區域范圍較小，應力擴散較快，梁柱連接節點承載能力滿足要求。

(3)采用桿系有限元和板殼有限元計算得到梁柱連接節點處板件應力相差較大，最大偏差約為20%，對該連接節點應采用板殼有限元方法分析。

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