某上承式梁拱組合橋梁復雜節點局部分析

羅 瑋 陶詩君 陳文明

(中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088)

某上承式梁拱組合橋梁復雜節點局部分析

羅 瑋 陶詩君 陳文明

(中交公路規劃設計院有限公司，北京 100088)

介紹了局部分析方法在橋梁設計中的應用，并對某上承式梁拱組合橋梁進行了局部分析，結果表明鋼結構的受力均滿足規范要求，結構設計合理可靠，可為類似工程結構設計提供參考。

鋼橋，梁拱組合橋梁，局部分析

0 引言

大型橋梁，在當下社會的實際應用過程中，已經逐漸成為城市內的標志性建筑，這些橋梁除了需要滿足相應的功能特性以外，在實際設計過程中更需要有美學上突出的造型設計，在橋梁整體結構上實現造型多樣化。隨著我國科學技術的不斷發展，新材料、新技術不斷應用于我國的各個行業，為不同建筑的發展與應用實現了結構與功能上進行創新的可能，更對我國建筑行業提出了更加嚴格的要求，因此，在我國建筑行業的發展過程中，需要針對不同材料的功用特性對設計過程進行更加精確的計算與分析。

局部分析法指的是在整體結構中進行精細化的局部分析，這種方法在實際應用中分為計算法與實驗法，在具體的操作過程中，實驗法往往會受到很多因素的影響，致使分析結果不夠精確或者無法進行分析，因此，在實際應用的過程中，通常采用計算法進行局部分析，這種算法采用大型的通用有限元程序，這些程序擁有高度的信息化，計算能力較強，例如ANSYS，ABAQUS，ATENA等[1,2]。

本文采用大型有限元分析軟件ANSYS，針對某上承式梁拱組合橋梁，對設計計算中的關鍵部位(拱腳、主梁節段)進行了局部精細化計算分析。

1 工程概況

在實際工程設計過程中，主橋為上承式梁拱組合橋梁，橋跨設計長度為50+160+50=260 m。橋梁的上部結構采用三跨連續結構體系與雙幅分離的體系，這一鋼材結構為橋梁主梁與橋梁拱面組合整體承載。橋梁下部結構采用鉆孔樁作為施工基礎，整個樁體為混凝土結構。

上部結構與下部結構之間采用豎向支座相連，單幅橋約束主3號墩兩個支座的縱橋向位移，及每個墩的內側支座的橫橋向位移。為防止過渡墩支座出現脫空，過渡墩支座采用拉壓球型支座。同時，為了改善結構的抗震性能，主橋設置了減震措施，采用了粘滯阻尼器。

全橋總體布置如圖 1所示。

2 橋梁結構局部分析建模

2.1 局部分析法

在進行橋梁結構的局部分析之前，需要對橋梁整體結構進行計算與分析，以此確保分析的準確性與有效范圍，為之后進行的邊界條件確定提供準備。具體的局部分析實施步驟如下：

1)需要建立全橋靜力計算模型。2)需要確定模型范圍內的邊界條件，這些條件包括荷載加載位置，約束位置及形式。利用圣維南原理，確定邊界條件的影響范圍，進而確定局部分析模型的建模范圍。3)需要在總體模型中提取邊界桿件內力值，提取的值點應為局部分析模型與橋梁總體模型相對應點(荷載組合在設計時可以在總體模型中完成)將提取的組合內力作為邊界條件施加于局部模型中。4)進行荷載校對時，需要對局部模型進行準確的計算分析，再取約束內力與總體模型相應位置處的桿件內力進行分析對比，以確定模型邊界及荷載取值的正確性。5)計算局部模型在各種荷載工況下的受力情形，分析結構設計的安全性與合理性。

2.2 材料性能及參數

上部主體結構中，板厚40 mm的鋼板采用Q390D鋼，其他板厚的鋼板均采用Q345D鋼。容許應力是鋼材的名義屈服點除以安全系數，通常該安全系數取1.7，在局部分析中，考慮組合應力結果，鋼材容許應力尚應取1.1的提高系數,材料參數如表1所示。

表 1 材料參數

在考慮多種荷載共同作用時，鋼材容許還應考慮表2所示的容許應力提高系數。

表2 容許應力的提高系數[3]

2.3 計算荷載

全橋整體計算模型主要考慮恒載、活載、溫度荷載、溫度梯度荷載、風荷載以及支座變位等，并提取邊界桿件在最不利荷載工況下的內力值作為邊界約束，局部模型中主要考慮結構自重以及汽車荷載。汽車荷載按公路—Ⅰ級[4]和城―A級[5]車輛荷載計算，取兩者結果的包絡值，人群荷載按3.5 kN/m2計入。

3 結果分析

根據2.1節所述局部分析方法，采用有限元軟件 ANSYS分別建立拱腳、主梁節段的局部分析計算模型，如圖2，圖3所示。田安大橋為全鋼結構，模型中主梁、拱肋、立柱以及橫撐均按照實際截面尺寸大小，采用空間殼單元模擬，車輛荷載作用于鋼橋面板上。

3.1 拱腳局部模型分析

拱腳局部模型計算結果表明，整體mises應力最大值為283 MPa(見圖4)，位于拱腳底板處，滿足容許應力限值要求。豎桿應力最大值出現在豎桿與拱肋連接處，局部有應力集中，最大應力峰值為168 MPa；橫梁整體應力值較小，最大為72.6 MPa。

3.2 主梁節段局部模型分析

主梁節段局部模型計算結果表明，整體mises應力最大值為279 MPa(見圖5)，位于主梁腹板處，滿足容許應力限值要求。主梁頂板在車輛荷載作用處有應力集中現象，最大應力值為102 MPa；主梁底板及腹板應力值較大，最大值分別為236 MPa，279 MPa；豎桿在與頂底板的連接處應力值較大，約為172 MPa，均能滿足規范要求。

4 結語

本文以田安大橋的局部結構分析為例，總結性的闡述了橋梁局部分析法在橋梁設計工作中的應用情況，通過對分析事例的了解與探究，局部分析法作為一種行之有效的橋梁結構設計方法，在進行一些具有特殊造型要求的結構設計過程中可以發揮出極為可靠的效果，能夠在很大程度上幫助設計者做出準確的判斷，對我國整體橋梁結構設計起到了重要作用。針對某上承式梁拱組合橋梁關鍵部位(拱腳、主梁節段)，進行了局部精細化計算分析，分析結果表明，拱腳局部模型、過渡墩壓重區局部模型以及主梁節段模型受力驗算滿足規范要求，可見本橋梁設計合理可靠，滿足相關工程技術的要求，可為類似工程結構設計提供參考。

[1] 龔曙光，謝桂蘭.ANSYS操作命令與參數化編程[M].北京：機械工業出版社,2004.

[2] 莊 茁.基于ABAQUS的有限元分析和應用[M].北京：清華大學出版社,2009.

[3] JTJ 025—86，公路橋涵鋼結構及木結構設計規范[S].

[4] JTG D60—2004，公路橋涵設計通用規范[S].

[5] GJJ 11—2011，城市橋梁設計規范[S].

On local analysis of complicated nodes on some top bearing beam-arch composite bridge

Luo Wei Tao Shijun Chen Wenming

(CCCCRoadPlanningandDesignInstituteCo.,Ltd,Beijing100088,China)

The paper introduces the application of the local analysis method in the bridge design, undertakes the local analysis of the top bearing beam-arch composite bridge, and proves the result that the stress of the steel structure meet the demands of the regulation with reasonable and reliable structural design, so as to provide some reference for similar engineering structural design.

steel bridge, beam-arch composite bridge, local analysis

2015-03-26

羅 瑋(1982- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)16-0183-02

U448.216

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