獨塔四索面異型斜拉橋塔梁固結節點受力性能分析研究

何武超

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

隨著國內城市化進程的縱深發展，城市橋梁除了滿足基本的交通功能要求之外，更是承載了城市形象的景觀工程。寧波外灘大橋主橋作為一座主跨225 m的獨塔四索面異型斜拉橋，造型新穎，喻意深刻，與周邊環境協調融合，比之于常規斜拉橋，在建筑造型、結構設計以及施工工藝等方面，對各方參建者都提出了更高的要求。本文以該橋為工程背景，介紹了該橋的塔梁固結節點的應力傳遞路徑、受力機理、合理構造設計。

1 工程概況

寧波外灘大橋是寧波市“五路四橋”工程的一部分，位于甬江橋下游江北區與江東區交界處，是地處市中心的一座景觀橋梁，建成后將成為寧波市"三江六岸"又一地標性建筑。外灘大橋主橋采用獨塔四索面異型斜拉橋全鋼結構，跨徑布置自西向東為主跨225 m+邊跨82 m+30 m＝337 m。總體布置見圖1。

主橋主塔采用三角形斜塔結構，位于兩幅分離式主梁的中間位置。主塔結構由四部分組成：前塔柱、上塔頭錨固區、后斜桿、水平桿。

主梁采用分離式鋼箱梁，通過橫梁連為整體。江東側主梁兩側向下懸挑伸出曲線的人行橋。人行系統包括人行道和人行橋兩部分，均采用懸臂工字形鋼梁+縱向小主梁結構型式。

2 塔梁固結節點受力特點

塔梁固結節點（見圖2）作為平衡主跨軸力、邊跨軸力、前塔柱水平分力的重要構造，除了承受前塔柱傳遞而來巨大的豎向力，將其順利傳遞至主墩下部基礎結構之外，還是橫向活載在主梁與固結約束端產生較大橫向彎矩的關鍵部位，上下行兩幅橋的主梁側向固結在前塔柱上，該側向約束的強弱程度，使得軸力的傳遞和彎矩剪力滯的效應顯得尤為復雜。該節點受力特點體現在：

（1）主跨及邊跨的斜拉索軸向不平衡分力所引起的縱向剪力及平面扭矩；

（2）主橋活載所引起的豎向剪力及橫向彎矩。

3 塔梁固結節點受力性能分析研究

3.1 研究目的及內容

外灘大橋建筑景觀造型的輕盈和飄逸決定了結構受力特性和節點構造設計的復雜程度。塔梁固結節點作為非常規構造，常規設計理論無法滿足設計要求及精度，因此，展開對其受力分析研究，為設計提供必要設計參數和依據，充分實現景觀和結構的設計意圖，確保塔梁節點的結構安全可靠，顯得頗為緊要，意義重大。

鑒于問題的復雜程度較高，獲得其解析解不現實，而用于設計的近似理論方法不足以獲得足夠的精確度，因此，本研究采用大型通用有限元分析軟件ANSYS建立仿真模型，分析其在設計荷載作用下節點各組成部件間力的傳遞，理解大跨度結構關鍵節點周圍的局部應力大小和應力分布規律，研究在恒載及各荷載組合作用下，塔梁固結節點的應力傳遞路徑、受力機理、合理構造設計。

3.2 有限元分析

3.2.1 有限元模型

本節點受力分析采用通用有限元程序ANSYS對上述塔梁節點建立板殼有限元模型，見圖3。

圖1 外灘大橋主橋總體布置圖

圖2 節點構造示意圖（對稱模型）

圖3 節點有限元模型示意圖

鋼板均采用板殼單元SHELL63模擬，模型兩側各有一段由梁單元Beam44模擬的剛臂，剛臂一端與板殼模型邊界用剛域耦合，另一端施加桿單元內力。剛臂梁單元的截面幾何屬性與主梁標準斷面相當，彈性模量為鋼材的100倍，可以滿足傳力要求。剛臂桿端力為全橋桿系模型總體計算中相應截面的內力。

3.2.2 研究荷載

塔梁固結節點結構上的荷載分為：

（1）該節點范圍內索梁錨固區的內外索力；

（2）該節點范圍內二期恒載；

（3）節點范圍內汽車、人群均布荷載及汽車集中荷載；

（4）該節點邊界內力，即主梁Z2節段、主梁B2節段、前塔柱TA-2節段橫斷面上的整體桿系模型相應的軸力、彎矩、剪力。

3.2.3 邊界條件

約束邊界條件的設定通過固結前塔柱塔底TA-0處位移、轉角六個方向自由度來實現。

內力邊界條件的設定采用“混合單元”模式，即分析對象的板單元+過渡區域的梁單元，充分利用桿系模型的梁單元內力作為混合單元的邊界條件，精確模擬其所關注部位的應力傳遞機理及分布水平。

對于主力荷載組合工況（恒載+活載） 和主力荷載+溫度荷載組合工況（恒載+活載+溫度），桿系模型分析計算結果表明，軸向力所產生的應力在組合應力中所占比重較大，故選取軸力最大對應的荷載組合作為最終的內力邊界，見圖4。

圖4 有限元模型內力邊界示意圖

3.3 研究結果

（1）恒載、組合1工況下應力水平較組合2工況下低，組合2工況下節點各板件Von Mises應力均在200 MPa以下，且屬于應力集中部位，整體應力水平在120～180 MPa之間，節點結構設計安全、合理，滿足規范要求，見表1。

表1 主梁平面板件Von Mises應力匯總（單位：MPa）

（2）塔梁固結節點的平面板件整體Von Mises應力處于100～130 MPa之間，富余度較大。Z0+Z0a頂板圓弧過渡處的局部應力集中達到130～150 MPa，滿足規范要求。

（3）Z1～B1頂板、底板縱橋向應力基本處于受壓狀態，橫橋向應力在Z0與Z0a相交處較大，體現出主橋鋼箱梁懸臂支撐于Z0a的受力特性；頂板、底板主橋側、引橋側兩處倒圓角過渡區域產生一拉一壓應力集中，體現出主引橋兩側不平衡軸力所產生的平面扭轉效應，見圖5。

（4）塔梁固結節點豎向力的傳遞路徑為前塔柱TA2～TA1-主梁Z0a頂板、隔板、底板-前塔柱TA0。對應該傳遞路徑，受力特性上表現出TA1節段面板應力水平較高，通過Z0a的過渡，到TA0節段部位其應力水平已經有所降低。結構設計安全、合理，節點構造處理較為理想地達到了應力擴散的設計目的。

（5）塔梁固結節點水平力在Z2～B1箱梁軸線上處于不平衡狀態，主跨側軸向力較邊跨側大。該不平衡力與TA1軸向力的水平分力進行平衡，但在平面形成一對力偶產生的平面扭矩，反映到結構受力上則是Z0+Z0a頂、底板兩個邊角圓弧過渡段產生一壓一拉的應力集中。

圖5 Von Mises應力（恒載，單位：kPa）

4 結語

外灘大橋作為國內首座獨塔四索面異型斜拉橋，造型奇特，結構復雜。塔梁固結節點匯集三個方向的關鍵節段構造（主梁節段Z0、前塔柱節段TA-1、墩頂主梁Z0a、塔墩固結節段TA-0） 主跨分離式雙主梁與前塔柱通過橫梁交匯在一起。整個節點構造板件立體交錯，縱、橫、豎向加勁密布，空間狹小，為非常規構造設計，國內外可借鑒的類似的工程經驗較少。本文借助通用有限元程序展開對其受力分析研究，為設計提供必要設計參數和依據，包括關鍵節點的應力傳遞路徑、受力機理、合理構造設計等，充分實現了景觀和結構的設計意圖，確保了塔梁節點的結構安全可靠。外灘大橋2008年6月正式開工建設，于2010年年底順利竣工通車，至今運營良好。

[1]馬骉，葛競輝，張俊杰.寧波市外灘大橋設計[A].2011全國橋梁學術會議[C].2011.

[2]周震磊，廖德川，鄢偉.寧波市外灘大橋主塔施工關鍵技術[J].城市道橋與防洪，2010（9）：225-227.

[3]何武超，張俊杰，馬骉.寧波外灘大橋——獨塔四索面異型斜拉橋施工控制[A].2012全國斜拉橋關鍵技術論文集[C].2012.

[4]卓衛東，房貞政，林清.墩塔梁固結體系斜拉橋固結節點受力分析[J].福州大學學報（自然科學版），1999（4）：83-87.

[5]劉士林，等.斜拉橋[M].北京：人民交通出版社，2002，380-383.