下承式鋼拱橋的局部分析

肖 春，崔 寧

（中國市政工程西北設計研究院有限公司成都分公司，四川成都 610081）

0 引言

橋梁作為公共建筑，除滿足使用功能外，還有其景觀功能。隨著社會的發展，不對稱、異形橋梁大量應用于城市建設中[1-3]。在此類橋梁的設計中，除對其進行總體強度、剛度、穩定性分析外，尚需對關鍵節點采用實體單元、板單元等進行精細化有限元分析，以了解結構的局部受力特點，為下一步的設計、施工提供參考[4，5]。

1 工程概況

貴陽市漁安安井片區道路九南明河橋作為連接南明河兩岸的重要橋梁，全橋呈南北走向，北側與水東路相接，南側與濱河路相接。采用兩跨偏態拱的結構形式，從單跨來看，像一條遨游在南明河上的巨鯨；兩跨連在一起，猶如一只正要高飛的雄鷹，寓意著未來方舟將乘著發展的東風，和貴陽一起展翅飛翔。該橋于2013年1月開工，2014年1月通過竣工驗收，目前已通車，運營良好。圖1為橋梁效果圖。

圖1 橋梁效果圖

1.1 總體布置

該橋全長80 m，分兩跨上跨南明河。1號橋墩位于南明河中，標準跨徑為49 m+30 m，均為下承式簡支鋼桁拱橋，中間設4 cm伸縮縫。橋面全寬22.1 m，雙向4車道，兩側為人行道。上部結構采用全焊鋼結構，鋼材均采用Q345qD，支架拼裝施工。橋梁立面及斷面見圖2、圖3。

圖2 橋梁立面圖（單位：cm）

圖3 橋梁橫斷面圖（單位：cm）

1.2 第1跨主桁架

第1跨桁架拱標準跨徑為49 m，分為8片上弦桿、8片下弦桿，16個節點。上弦桿、下弦桿、腹桿均為箱形截面，其斷面如圖4所示。為保證桁架拱的面外穩定性，在2片拱肋間設2道橫撐。

圖4 第1跨桁架桿件斷面圖（單位：mm）

1.3 車行道橋面系

橋面系分為車行道橋面系與人行道橋面系。其中第1跨車行道橋面采用正交異性板鋼橋面，寬度15.6 m，橋面板厚16 mm，U肋厚8 mm。采用15片中橫梁、2片端橫梁，中橫梁的縱橋向間距為3 m。端橫梁均為箱形斷面，腹板厚度均為20 mm，底板厚度為20 mm，在端橫梁內設置4道厚度12 mm的橫隔板。中橫梁均為工字形斷面，腹板厚度均為20 mm，底板厚度為20 mm。為防止中橫梁的面外失穩，在中橫梁腹板上設置4道橫向加勁肋。圖5為橋面系斷面圖。

圖5 橋面系斷面圖（單位：mm）

2 局部構件分析

根據橋梁的整體結算結果，第1跨的1B0節點處受力最不利，對其進行局部分析。同時，由于正交異性鋼橋面板采用桿單元計算難以得出較準確的結果，采用板單元對其分析。

2.1 1B0節點計算

2.1.1 計算模型

在Midas FEA v3.30中，采用子模型建立1B0節點的有限元模型，單元均采用二維板單元。為較準確模擬約束特性，本節點所在拱片的其他桿件采用梁單元建模。模型共計15 066個板單元，196個梁單元，14 889個節點。整體模型及1B0節點模型如圖6、圖7所示。

圖6 單片桁架有限元模型

圖7 1B0節點有限元模型

2.1.2 邊界條件

（1）上、下弦桿的梁單元與板單元采用剛性連接進行主從約束。

（2）1B0節點處24 mm厚支座橫向加勁板的各節點均設置uz豎向約束，在拱片另一側的支承處設置豎向uz約束。

2.1.3 作用力

外部作用力考慮結構自重、橋面系及二期恒載重量、車道荷載共3部分。計算節點應力時，將3部分荷載作為靜載同時加載于結構上。

（1）1B0節點及本片桁架的上、下弦桿，腹桿均在模型中有所體現，考慮到鋼結構加勁肋重量，各構件的自重提高系數取為1.25。

（2）在各中橫梁、端橫梁與下弦桿相交節點處施加-198 kN的豎向力來模擬上部結構自重及二期恒載重量，本模型中共計16個此類節點；在上橫撐與上弦桿相交節點處施加-29.3 kN的豎向力來模擬上橫撐自重，本模型中共計2個此類節點，如圖8所示。

圖8 上部結構重量及二期恒載示意圖

（3）車道作用：車道考慮均布力及集中力的作用。

采用杠桿原理法計算單片桁架的車道橫向分布系數，可得η=1.64，汽車沖擊系數取為1.4。

集中力為：P=1.64×1.4×（4×49+160）=817.4(kN)

均布荷載為：q=1.64×1.4×10.5=24.1(kN/m)

將集中力P作用于與1B0節點距離最近的下弦桿節點上，本模型中共計1個此類節點；將均布荷載q作用于所有的下弦桿單元上，本模型中共計46個此類單元，如圖9所示。

圖9 車道荷載示意圖

2.1.4 計算結果

腹板及下弦桿頂板，上弦桿頂、底板的最大正應力位于支承加勁肋與腹板連接處，為208.1 MPa，小于規范規定的300 MPa，見圖10。

支座加勁肋的最大正應力位于支承加勁肋與腹板、底板連接處，為216.4 MPa，小于規范規定的300 MPa,見圖11。

圖10 腹板及下弦桿頂板，上弦桿頂、底板σy正應力圖

圖11 底板及支座加勁肋局部σx正應力圖

2.2 頂板及橫梁計算

2.2.1 計算模型

在Midas FEA v3.30中，建立橋面板及中橫梁的有限元模型，單元均采用二維板單元。由于模型橫向對稱，為降低計算工作量，只建立1/4的模型，共計18 174個板單元，16 662個節點。

2.2.2 邊界條件

（1）橋面板及中橫梁的腹板、底板與下弦桿連接處均采用TX、TY、TZ共3個自由度約束。

（2）由于模型橫向對稱，對對稱截面的各節點約束UY、RX 2個自由度。

2.2.3 作用力

外部作用力考慮結構自重、二期恒載重量、車輛荷載共3個部分。計算節點應力時，將3個部分荷載作為靜載同時加載于結構上。

（1）橋面板、U肋、中橫梁、中橫梁加勁肋、小縱梁等各構件的自重提高系數取為1.0。

（2）二期荷載為橋面鋪裝，厚度為8 cm，其自重為0.08×24=1.92（kN/m2），對橋面板各單元均施加-1.92 kN/m2的面壓力荷載。

（3）車輛荷載

采用城-A車輛荷載，不考慮沖擊系數，1/2的橋面系共分布2個車道，如圖12所示。

橋面瀝青混凝土鋪裝厚度為0.08 m，車輛荷載按45°角度擴散。

車輪的縱向分布寬度為：

圖12 車輛荷載加載圖

橫向分布寬度為：

考慮到橋面板單元的劃分尺寸，車輪的分布寬度近似為：

對單個輪重為100 kN處，橋面板單元的車輪均布面壓力為：

對單個輪重為70 kN處，橋面板單元的車輪均布面壓力為：

2.2.4 計算結果

橋面板的最大正應力位于車輪下，為65.1 MPa，小于規范規定的200 MPa,見圖13。

圖13 橋面板σyy應力圖

U肋的最大正應力位于車輪荷載下的U肋側壁，為 49.9 MPa<200 MPa。

中橫梁、小縱梁的最大正應力發生于橫梁底板與下弦桿連接處，為108.2 MPa<200 MPa，見圖14。

2.2.5 橋面系剛度

在最不利輪載作用下，節間相對位移為0.30mm<0.4 mm，滿足《正交異性鋼橋面系統的設計和基本維護指南》（報批稿）的要求。

圖14 中橫梁+小縱梁σxx應力圖

3 結語

（1）本文利用有限元分析軟件Midas FEA對下承式鋼拱橋的拱腳支承節點、橋面板進行空間有限元分析，通過局部計算分析結果可看出，除局部區域的應力水平較高外，絕大部分區域的應力水平均較低。拱腳節點、橋面板的最大應力及局部剛度均未超出規范的規定。

（2）該橋的拱腳支承節點、橋面板構造是合理的，可為類似工程提供參考。

[1]林元培.橋梁設計工程師手冊[M].北京：人民交通出版社，2007.

[2]于剛.九堡大橋設計過程復雜節點局部分析[J].城市道橋與防洪，2011（12）：30-33.

[3]張琳,曾天寶.艾溪湖大橋局部受力分析[J].城市道橋與防洪，2012（12）：79-81，113.

[4]JTG D60-2004，公路橋涵設計通用規范[S].

[5]JTJ 025-1986，公路橋涵鋼結構及木結構設計規范[S].