鋼結構橋梁塔梁墩固結部位的局部應力分析

侯寶林

摘 要：隨著我國經濟的突飛猛進，城市公共設施得到了大力發展，造型獨特的景觀橋梁如雨后春筍般拔地而起。景觀橋梁兼具建筑美學與交通功能，其結構的創造性和復雜性往往帶來傳力不明確、應力集中等問題。某人行景觀橋局部節點采用塔梁墩固結設計，該節點構造復雜，應力分布不明，需采用有限元軟件建立實體模型進行分析，以確保結構設計安全可靠。

關鍵詞：鋼橋;塔梁墩固結;有限元分析;局部應力

中圖分類號：U441.5 文獻標識碼：A

1 工程概況

某人行景觀橋上跨既有城市快速路，道路紅線寬67 m，橋梁全長202 m，受地形和管線影響，道路紅線范圍內僅一條道路側分帶可以設置橋墩，其余橋墩需設置于道路紅線外側的公園綠地。該橋采用不對稱的布置形式，跨徑布置為40+40+57+40+25=202 m（圖1）。上部結構和橋墩均采用鋼結構設計，主梁結構為等高變寬連續鋼箱梁，2號墩的梁頂設置傾斜式橋塔，橋塔軸線長約40 m，與水平面夾角為40°，橋塔與第三跨主梁之間設置15根斜拉索，橋墩采用矩形截面鋼墩。

該橋的剛度主要由梁體提供，橋塔向主跨方向傾斜，呈單端固結的懸臂結構，對橋面荷載的承擔比例相對較小，橋梁從受力性質上可看作是索塔增強的梁橋[1]。因人行橋對振動舒適度要求高，豎向自振頻率不小于3 Hz[2]，當采用塔梁墩固結的剛構體系[3]，不但可以提高結構的整體剛度和結構自振的基頻，使之避開人橋振動的敏感頻率范圍[4]，而且索塔處不需要設置支座，解決橋梁管養更換支座困難的問題。塔梁墩固結體系一個顯著特點是主梁在固結處的負彎矩大，且溫度作用引起的結構附加內力不可忽視，塔梁墩固結段的翼板、腹板、橫隔板等板件及其加勁肋交錯布置（圖2），呈復雜的三維應力狀態，若僅基于桿系模型進行受力分析可能導致計算結果與實際情況大不相同，故有必要建立該節點的實體模型進行受力分析，求解各板件的應力分部情況和應力大小。

2 計算模型

塔梁墩固接處，鋼橋塔與鋼箱梁斜交，鋼橋墩與鋼箱梁正交。塔、梁、墩的材質均采用Q355C鋼材。通過有限元軟件 midas建立的桿系模型計算，將塔梁墩固接段在基本組合下的內力最大值和最小值提取出來，選取最不利的內力施加在有限元軟件Ansys建立的空間三維板殼節段模型上，進行受力計算分析。

根據圣維南原理[5]，還需要在塔梁墩模型的外圍再建一段過渡段，以避免邊界上內力施加處應力集中對結果分析干擾。過渡段采用與塔梁墩模型相同的材料和斷面，但在結果分析不納入分析范圍。過渡段的長度取5 m，即鋼箱梁兩端、橋塔、橋墩各加長5 m，并在過渡段的終點建立一個端面，方便施加荷載。

有限元模型選用Shell93單元對幾何模型進行網格劃分（圖3）。在施加邊界條件時，Ansys模型必須要有固定的自由度約束，因此將橋墩底部邊界段的端面設置為固接，在鋼箱梁左右兩側的邊界段的端面上和橋塔邊界段的端面上施加由整體桿系模型計算得到的彎矩、剪力和軸力。

3 計算結果

（1）結構整體應力。結構整體 mises應力結果見圖4和圖5，鋼箱梁的頂板和底板、鋼橋墩的主板應力水平相對較高，而鋼橋塔、鋼箱梁和橋墩中的橫隔板應力水平相對較低，最大應力不超過240 MPa。

（2）橋塔應力計算。鋼橋塔的應力大小在60 MPa～120 MPa，應力水平較低（圖6）。

（3）鋼箱梁應力。鋼箱梁的應力云圖見圖7，鋼箱梁的頂板的應力最大值出現在橋塔的異形側板（J15）與箱梁頂板的相交處，這與建模時將實際中的圓弧簡化成折角有關使得此處應力集中，鋼箱梁頂板的平均應力在90 MPa～120 MPa左右，滿足設計要求。鋼箱梁底板的應力比頂板的應力略大，底板的平均應力在180 MPa～210 MPa范圍。

（4）鋼橋墩應力。鋼橋墩的應力云圖見圖8，截面應力分布不均勻，剪力滯效較為明顯。鋼橋墩的應力最大值出現在異形側板（J22）的角點處，這與建模時將實際中的圓弧簡化成折角有關，使得此處發生應力集中。由應力云圖可知，鋼橋墩的平均應力約為180 MPa～210 MPa，滿足設計要求。

4 結論

（1）塔梁墩固結區域的板件受力較為復雜，桿系模型不能反映該節點真實的應力分布情況，需要建立實體模型進行細部構件應力計算。（2）該橋塔梁墩結合段滿足受力要求，應力水平尚有富余，構造合理，結構安全可靠。（3）橋塔異形側板與主梁相交處以及橋墩的板件角點部位有應力集中現象，可通過設置加勁肋以防止板件局部失穩和變形過大。

參考文獻：

[1]張連振.大跨度橋梁設計與施工[M].北京：人民交通出版社股份有限公司，2015.

[2]CJJ 69-95城市人行天橋與人行地道技術規范[S].

[3]上官萍，房貞政，卓衛東.塔梁墩固結斜拉橋結構受力分析[J].福州大學學報（自然科學版），1999，39（03）：19-22.

[4]陳政清，華旭剛.人行橋的振動與動力設計[M].北京：人民交通出版社，2009.

[5]張少實.新編材料力學[M].北京：機械工業出版社，2002.