下承式鋼混組合梁系桿拱橋錨固結構受力分析

孔令熙

（上海浦東建筑設計研究院有限公司，上海市 201204）

0 引言

系桿拱橋主要是由拱肋、系梁（系桿）、吊桿、橫梁及橋面系組成。系桿拱的系梁與拱肋在拱腳節點處剛接，支承于墩臺上。其中，拱肋是系桿拱橋的主要承重構件，以受壓為主。吊桿是系桿拱橋的重要傳力構件，主要承受拉力。體系中設置系梁來平衡拱腳處對地基產生的水平推力，因此具有跨越能力大、梁高較低、外型美觀等優點。

節點是結構體系的重要組成部分，需在設計中重點考慮其細部結構，它的強度和剛度直接影響全橋受力情況，所以節點對于保證結構的整體性也有著舉足輕重的作用。系桿拱橋作為空間結構體系，采用常規的計算方法建立梁、桿結構模型，求得整體結構的內力、應力、變形等，這種以桿系理論為基礎的方法在對結構進行整體分析時是合適的。但在局部節點處，常常設有橫隔板、加勁肋等板件，導致局部構造較為復雜，而在整體分析中很難考慮到構造的細節之處，計算結構并不能精確分析節點處的應力情況。因此需在整體分析計算的結果基礎上，選擇具有代表性的節點，進行局部空間有限元分析，研究節點的受力情況。

系桿拱橋受力較為明確，對于節點來說，需有足夠的強度和剛度。吊桿與系梁的錨固是系桿拱橋傳力的關鍵部位之一，有必要對其進行局部分析從而為細部構造的設計提供依據。

1 工程背景

申江南路大治河橋主橋采用簡支下承式鋼箱系桿拱組合體系拱橋，計算跨徑116 m，拱肋采用全焊鋼箱構造，拱軸線為二次拋物線，主拱矢跨比為1/5，拱肋高23 m，平行拱肋橫橋向間距為26.2 m，吊桿順橋向間距為6 m。

其中，系梁、中橫梁、懸臂板、端橫梁均采用鋼混組合結構。系梁與拱肋均為矩形閉口斷面。系梁在吊桿位置處設置加強型實腹式橫隔板，吊桿間每隔3 m設置普通實腹式橫隔板。拱肋系桿采用?s15.2-31環氧涂層鋼絞線，每個系梁內設4根，以平衡拱肋的水平推力。吊桿采用PES（FD）平行鋼絲PE雙護層拉索。吊桿一般位置設置規格為?7-91的成品索，靠近拱腳的兩根短吊桿采用?7-109的成品索，吊桿外包雙層HDPE保護層，抗拉強度1 670 MPa，上端錨固在拱肋內，下端錨固在系梁內，錨具采用冷鑄錨，拱肋內張拉，每片拱肋設置17根吊桿。

大治河為通航河道，根據航道部門要求，通航凈寬79 m范圍內必須滿足通航凈高7.0 m的要求。由于是在現狀通航水域上建橋，為保證施工過程安全可靠，保證鋼梁的施工焊接質量，因此采用水中設臨時墩、先梁后拱的施工方法。

2 吊桿與系梁的錨固結構

吊桿與系梁之間的錨固連接是系桿拱橋設計的關鍵問題之一，由于吊桿張拉后，系梁錨固區局部應力較大、應力傳遞復雜，需將吊桿傳遞的索力擴散到系梁截面上去。其傳力途徑為吊桿→錨墊板→承壓板→系梁隔板→隔板加勁板→系梁頂、底、腹板。該橋吊桿與系梁錨固結構布置如圖1～圖3所示。

圖1 吊桿與系梁錨固區橫斷面（單位：mm）

圖2 吊桿與系梁錨固區平面（單位：mm）

圖3 吊桿與系梁錨固區剖面（單位：mm）

其中的主要板件如下：D1a與D1b為承壓板上隔板，板件厚25 mm；D2為承壓板下隔板，板件厚25 mm；D3、D6為下隔板加勁，板厚20 mm；D4為承壓板，板厚25 mm；D5a與 D5b、D7a與D7b為上隔板加勁，板厚20 mm；D8為矩形錨墊板，板厚50 mm；M1為錨管，與系梁頂板、系梁上隔板、承壓板焊接，板厚28 mm；M2為錨管加勁，設置4道錨管加勁，板厚20 mm。

由于系梁結構較為復雜，錨固區板件既有局部受壓也有局部受拉還有拉壓共同作用的情況，結構受力復雜，呈三向狀態，應力集中嚴重。因此有必要對吊桿與系梁錨固區在不利工況下的應力分布、應力大小等局部應力狀態進行分析。

3 局部模型與計算結果

先采用midas建立整體模型，根據橋梁的整體計算結果，選取吊桿與系梁錨固區受力最不利的階段及位置，即靠近梁拱結合段處拱腳第一根吊桿處，對其進行局部分析。為準確分析系梁局部的受力狀態，根據圣維南原理，考慮邊界效應使得局部模型的計算結果并不受到選取區域范圍太小而影響，故選取系梁節段6 m長作為研究對象，即吊桿兩側各3 m設置普通實腹式橫隔板之間距離。采用板單元建立系梁頂板、底板、腹板、橫隔板、加勁肋，并在劃分網格時，將關心區域的網格尺寸劃分得更細些，如圖4、圖5所示。

圖4 局部模型

圖5 局部模型不含系梁頂、底、腹板

系梁局部模型所受荷載包括結構自重、橋面板荷載以及吊桿張拉力。而邊界條件可根據全橋分析結果得到，然后按靜力等效原則施加于系梁的各邊界處；結構自重和橋面板荷載則根據實際情況進行施加。

從計算結果來看，錨固區各板件的應力水平不高，與規范容許應力值相比有一定的安全儲備，如圖6、圖7所示。

圖6 錨固區板件應力結果（單位：MPa）

圖7 錨固區應力結果（單位：MPa）

其中，最大應力為95.5 MPa，出現在錨墊板D8中心位置，如圖8所示。而隔板D1與承壓板D4處局部應力較大，但亦滿足，且區域小，應力擴散快。

圖8 錨墊板應力結果（單位：MPa）

系梁頂底板整體應力水平很低，有效應力值主要在40 MPa以下，如圖9所示。

圖9 系梁頂、底板應力結果（單位：MPa）

腹板應力分布均勻，應力水平相當、分布相似。腹板大部分區域有效應力值在30 MPa以下，應力水平較低。最大有效應力出現在腹板與底板連接處，應力值為37.4 MPa，如圖10所示。

圖10 系梁腹板應力結果（單位：MPa）

通過建立系梁的局部有限元模型，可得各板件的應力水平不高。對于鋼結構來說，通常采用板單元即可求得板件的受力情況。但如果只建立獨立模型分析錨固區的受力情況，則對局部模型施加精確的邊界條件變得非常關鍵，如果施加不當則可能對計算結果造成影響甚至錯誤。

4 混合有限元模型

為了進一步探究計算結果的準確與否，考慮采用整體模型與局部模型混合的形式。建立全橋模型后，對關心部位的吊桿與系梁錨固區采用板單元插入其中，在板單元和梁單元交界面上按平截面假定建立約束方程，即把吊桿與系梁錨固區建立在同一個混合有限元模型中。那么在模型中施加荷載、邊界則變得較為簡便，而活載情況則追蹤吊桿受力最大的工況下的移動影響線來布載。混合有限元模型如圖11所示。

圖11混合有限元模型

經計算，吊桿與系梁錨固區板件應力結果與局部模型較為接近，如圖12、圖13所示。

圖12 混合有限元模型計算結果（單位：MPa）

圖13 混合有限元模型板件計算結果（單位：MPa）

5 結 論

通過對吊桿與系梁錨固區局部模型以及混合有限元模型的計算分析，得到了錨固區板件的應力分布情況，計算結果滿足規范要求。

申江南路大治河橋主橋系梁錨固區細部構造工廠加工實景圖如圖14、圖15所示。

圖14 系梁錨固區構造（未焊接系梁頂板）

圖15 系梁錨固區構造（已焊接系梁頂板）

6 結 語

國內關于節點受力性能的研究資料較少，公開發表的文獻資料也不多，針對大跨度橋梁的研究資料更少。本文僅對節點進行了靜力分析，在今后還需對以下問題做進一步探究：

（1）焊接殘余應力及焊接工藝質量對節點受力性能的影響。

（2）節點在動力荷載作用下的鋼結構疲勞分析。