廣西梧州西江四橋局部復雜節點有限元計算分析

阮波

摘要：文章對廣西梧州市西江四橋開展研究，以主橋的工程方案為基礎，利用有限元軟件ANSYS對橋梁的邊拱肋系桿錨固節段、混凝土拱箱（包括主拱肋鋼筋混凝土結合段、邊拱肋鋼筋混凝土結合段以及混凝土拱肋拱座）進行模型分析，并運用數值模擬的方法，對該橋的復雜節點進行局部分析。結果表明：復雜節點大部分區域的受力情況滿足規范要求，對于計算中出現的應力較大的區域也給出了相應的解決方案，驗證了結構的設計合理可靠，局部分析的方法在橋梁設計中起到了重要的作用。

關鍵詞：拱橋;鋼箱系桿;局部分析;數值模擬

中圖分類號：U442 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.021

文章編號：1673-4874（2019）10-0069-04

0引言

廣西梧州市的西江四橋主橋是按照雙層橋面設計的系桿拱橋，設置了三跨中承式鋼箱，沒有采用較為傳統的“飛鳥式”三跨中承式系桿拱橋型，而是將邊拱肋鋼箱部分設計在橋面之上。這種獨特的建筑構造也使得橋梁結構受力復雜，因此有必要在工程的設計過程中進行更加精確的計算與分析。

本文采用大型數值分析軟件ANSYS對該橋設計計算中的重要部位（邊拱肋系桿錨固節段、混凝土拱箱）進行了局部精細化計算分析，以期為同類型橋梁的設計計算提供有價值的參考。

1工程概述

廣西梧州市的西江四橋與上游梧州市的長洲島東匯流口之間的距離大約為1.5km，與上游的西江大橋之間的距離大約為3.1km，與下游潯江和桂江匯合口相距約2.5km，與下游云龍大橋相距約4.5km。橋位選址處在梧州傳統活動“龍舟賽”的競技線路上，為了便于游客和市民觀賽，大橋被設計咸雙層橋面，上層為機動車通行，下層為行人和非機動車通行。主橋橋型如圖1所示。

西江四橋的主橋分為300m長的中跨以及兩個129m長的邊跨，橋梁全長558m，邊跨為兩側對稱的形式。主跨與邊跨拱肋的拱軸線是懸鏈線型，中跨與邊跨的拱肋是箱型截面，拱肋在橋面系以下是預應力混凝土結構形式，橋面以上是鋼箱拱。為加強空間穩定性，中跨拱肋兩肋間設14道水平聯系，邊跨拱肋兩肋間設6道水平聯系。上下橋面系均為鋼混疊合構造（鋼格構+混凝土橋面板組成），僅由于負載不同而在結構尺寸上有所不同。

大橋設置了柔性系桿體系以平衡邊跨水平推力以及改善邊跨拱肋。系桿通過系桿支架定位（系桿支架設置在吊桿橫梁上），系桿在沿上層橋面的整個主橋長度范圍內，兩端分別錨于兩個邊跨拱肋端部。僅設置通長柔性系桿，不足以使邊拱的強度和剛度滿足要求，大橋還在邊拱內設置了剛性鋼箱系桿。

2局部分析建模

2.1全橋靜力計算分析

西江四橋的復雜節點局部分析是針對橋梁的整體結構進行計算分析后的補充研究，因此西江四橋全橋靜力計算的分析結果為復雜節點局部分析提供了模型邊界和荷載取值等基礎資料。

基于Midos Civil軟件，對西江四橋主橋進行整體的靜力分析。其中，吊桿、系桿采用桁架單元進行模擬，拱肋、腹桿、橫撐采用梁單元進行模擬，主梁則采用梁單元和板單元組合模式進行模擬。邊界條件根據實際工程模擬。全橋共2916個節點，3619個單元。模型如圖2所示。

2.2 邊拱肋系桿錨固節段復雜節點局部分析

（1）計算目的

邊拱肋系桿錨固節段既為柔性系桿錨固區，也為拱肋拱腳與鋼縱梁（剛性系桿）的連接區，底部為支座約束。荷載作用下各桿件之間受力相互影響，壓、彎、扭耦合，受力復雜。系桿錨具的預埋管在混凝土中會形成較大的孔洞，導致混凝土受力更為復雜。

（2）材料性能及參數

使用ANSYS軟件建模計算，長度單位為mm，鋼板使用She1193單元，材料采用Q345C鋼材，其彈性模量取2.1×10MPa，泊松比取0.3，屈服強度為345MPa。混凝土為Solid187單元，材料采用C50混凝土，其彈性模量取3.45×104bpa，泊松比取0.2，軸心抗壓強度設計值取22.4MPa，軸心抗拉強度設計值取1.83MPa。

（3）邊界與荷載

如圖3所示，局部模型在拱肋、鋼縱梁上以豎向截面切斷，拱肋和鋼縱梁切口均位于最邊一根吊桿位置（不含吊桿）。

支座區域分布豎向位移約束，拱肋和鋼縱梁切口采用剛域設置成平截面，將拱肋在切口處進行固定端約束，保證選擇的局部結構為幾何不變體系。

表1中所示為鋼縱梁和系桿分別在全橋計算中的最不利內力值。鋼縱梁切口處的內力通過剛域主節點施加。根據系桿錨具的實際傳力方式，系桿力通過一環形支座板間接施加在錨墊板上。

2.3 混凝土拱箱局部分析

（1）計算區段

此部分計算包含三個區段：主拱肋鋼混結合段（見圖4）、邊拱肋鋼混結合段（見圖4）、混凝土拱肋及拱座（見圖5）。

（2）材料性能及參數

建模時鋼板采用板殼SHELL63單元模擬，混凝土采用實體單元SOLID45模擬，預應力筋采用Link8單元模擬，預應力筋與混凝土采用約束方程實現兩者的連接，預應力筋張拉控制力采用初應變法施加。

（3）邊界與荷載

對于主拱肋和邊拱肋鋼混結合段，在混凝土拱肋的下端施加所有方向上的約束，拱肋系梁的中間施加對稱約束。對于混凝土拱肋及拱座，在混凝土橋墩底面施加所有方向上的約束，拱肋系梁的中間施加對稱約束。

從Midas軟件整體分析模型分別提取鋼拱肋上端所對應節點的軸力最大、剪力最大和彎矩最大時相應的內力結果作為拱座局部分析時拱肋端部的加載工況，如表2-5所示。可以通過在拱肋加載面上設置剛性區域和將集中力分散到該面的每一個節點上的方法，來減弱應力集中的影響。ANSYS軟件有限元模型見圖4-5。

3計算結果分析

3.1 邊拱肋系桿錨固節段局部分析結果

下頁圖6-7所示為邊拱肋系桿錨固節段局部模型計算結果，得出混凝土大部分應力很小，如圖6主拉應力一般在1.814MPa以下，在混凝土的部分尖角邊緣處以及支座局部受壓區的邊緣外側存在較大的主拉應力。這一情況將采用局部加強鋼筋應對。如圖7所示，主壓應力最大值為14.22MPa<22.4MPa，滿足要求。

如圖8所示，鋼結構總體上應力不大，大部分區域在109.235MPa以下，錨墊板區最大應力為152.904MPa。應力較大的區域出現在鋼縱梁頂板一帶。此區域的較大應力主要表現為頂板開孔的應力集中。

在排除應力集中單元前，圓孔處存在最大應力為245.779MPa，小于Q345鋼材的屈服強度及其抗拉強度設計值，滿足要求。排除縱梁開孔處的應力集中單元之后，鋼結構的最不利應力點位于如圖9所示錨墊板處。

3.2 混凝土拱箱局部分析結果

通過對主拱肋鋼混結合段的三種工況分析可知，主拱肋結合段混凝土拱肋最大主應力為2.56MPa，出現在軸力最大工況，該結果偏大，且超出了C60混凝土的抗拉設計強度1.96MPa。但該值出現在混凝土拱肋倒角處，由于網格劃分的原因，該部位出現了應力集中的現象，而此部分以外區域的混凝土的主拉應力均較小。另外結合段處的混凝土內、外及頂面均外包有鋼板，對混凝土具有一定的約束作用。主拱肋結合段混凝土拱肋最小主應力為17.2MPa，主拱肋結合段鋼拱肋Mises應力為116MPa。

通過對邊拱肋鋼混結合段的三種工況分析可知，邊拱肋結合段混凝土拱肋如圖10所示，最大主應力為1.63bPa;如圖11所示，最小主應力為9.0MPa;如圖12所示，Mises應力為66.2MPa。

通過對混凝土拱肋及拱座的三種工況分析可知，如圖13所示拱腳及拱座混凝土拱肋最大主應力為1.52MPa;如圖14所示拱腳及拱座混凝土拱肋最小主應力為-18.8MPa。拱腳及拱座混凝土在混凝土主拉應力較大，為了減小圖中所示區域的主拉應力，設計中通過對區域2中混凝土內添加勁性鋼骨架及在混凝土表面布設防裂鋼筋網的措施，以防止該區域混凝土出現開裂的現象。對于區域1和區域3中主拉應力較大的現象，設計中在拱肋的腹板及頂底板間設置勁性拉桿及在拱肋混凝土表面布設防裂鋼筋網，以防止混凝土出現開裂的現象。

4 結語

局部分析方法能夠在一些具有特殊結構的工程設計中發揮可靠的作用。它計算出的精細結果能夠在很大程度上幫助設計者做出準確的判斷，在整體橋梁結構設計中能夠起到極大的作用。本文以梧州四橋主橋的工程方案為基礎，運用數值模擬的方法，對該橋的復雜節點進行局部分析，結果表明：

（1）邊拱肋系桿錨固節段局部模型和混凝土拱箱局部模型的大部分區域受力情況均能夠滿足規范的要求。

（2）邊拱肋系桿錨固節段混凝土在部分尖角邊緣處以及支座局部受壓區的邊緣外側存在較大的主拉應力。鋼結構應力較大的區域出現在鋼縱梁頂板一帶。

（3）拱腳及拱座混凝土主拉應力較大，可在混凝土內添加勁性鋼骨架、在拱肋的腹板及頂底板間設置勁性拉桿以及在混凝土表面布設防裂鋼筋網，以防止該區域混凝土出現開裂的現象。