三官堂大橋主桁中支點節點設計

李東勝

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

1 工程概況

三官堂大橋主橋采用鋼桁連續梁橋，跨徑布置160+465+160=785m。主桁采用變高桁架，桁式采用N形桁，中跨跨中桁高14.5m，邊墩墩頂桁高15.0m，中支點桁高42.0m。桁架基本間距15.0m，在中支點附近為18.75m。主桁立面圖見圖1。

圖1 主桁立面圖（單位：m）

2 主桁中支點節點構造

主桁中支點節點連接V撐處6根桿件，包括兩側斜腹桿、豎桿、中間斜腹桿和橫梁。節點下設支座，上部結構作用通過此節點傳遞給支座。

兩側斜腹桿為主要傳力桿件，由于航空限高，兩側斜腹桿軸線與水平面夾角較小，分別為12.2°（邊跨側）和19.1°（中跨側），受力最大。豎桿和中間斜腹桿受力較小。6根桿件均為箱型截面，各桿件截面尺寸見表1。

節點板與兩側斜腹桿、中間斜腹桿和豎桿頂底板對接，外側對齊，兩塊節點板間距2200mm。節點板與每個桿件頂底板焊縫設置在圓弧起點外側150mm處。根據此原則確定節點板平面規格，節點板厚60mm。除節點板，另在兩側斜腹桿與節點底板圍成區域增設一道中腹板，中腹板厚60mm。

表1 各桿件截面尺寸 單位：mm

節點內設置腹板與兩側斜腹桿、中間斜腹桿、豎桿腹板和橫梁對接。兩側斜腹桿受力最大，其上側對接腹板（F1、F5）通過隔板（HG7）連接，考慮預留支撐加勁焊接空間，下側對接腹板（F1a、F5a）通過加勁（J7）連接；豎桿對接腹板（F3）向下延伸至底板，同時作為橫梁對接板和支撐加勁；兩側斜腹桿受力較小，其對接板（F2、F2a、F4、F4a）伸入節點板后截斷（見圖2）。同時，節點內設置與桿件加勁對應加勁。F1、F1a厚45mm，F5、F5a厚50mm，F2、F2a、F4、F4a厚24mm，F3厚45mm。

橫橋向設置5道隔板（HG1~HG5），由于兩側斜腹桿與水平面夾角較小，最外側隔板間距（HG1、HG5）不宜過小，否則J7~J7a與底板距離較小，支撐加勁無法焊接。次外側隔板（HG2、HG4）為臨時支座支撐加勁，中隔板（HG3）為永久支撐加勁。橫隔板厚度均為45mm。

本橋節點板、中腹板與橫橋向隔板（HG1~HG5）、豎向腹板對接板（F3）之間焊縫采用熔透焊。上述板件與底板之間焊縫亦采用熔透焊，其余焊縫為半熔透焊縫。支座墊板與底板之間采用兩種焊縫形式：橫橋向固定支座處采用坡口角焊縫，橫橋向可動支座處采用角焊縫。為防止焊接時支座墊板脫空，支座墊板中心區域設計多個直徑0.1m圓孔，焊接周圍焊縫前，首先利用圓孔與節點底板圈焊固定。

圖2 中墩墩頂節點構造圖（單位：mm）

節點板倒圓弧處設封頭板，以確保節點內部密封。節點內構造復雜，考慮后期二次涂裝困難，節點內澆筑混凝土。節點位于V撐最低處，節點內設置排水孔，防止積水。

3 有限元分析

3.1 有限元模型

全橋總體計算采用桿系模型，局部節點分析采用板殼模型，是鋼桁梁橋計算常用方法。本橋總體計算采用MIDAS桿系模型，節點局部分析采用ANSYS有限元軟件。

有限元模型除建立整個節點板件，還建立3倍桿件高度長度范圍桿件，以盡量減小桿件邊界失真對節點應力的影響。鋼板采用SHELL63單元，中支點節點ANSYS有限元模型見圖3。

圖3 中支點節點ANSYS模型

支反力施加有兩種方式：一是在支座墊板范圍內施加均布面荷載，約束模型其他位置；二是建立真實支座，約束施加在支座位置。計算發現，對于本節點，方式一由于沒有考慮支座剛度，節點板應力分布更均勻，計算結果偏不安全，因此采用方式二施加支反力。支座采用SOLID45單元，支座頂板與節點底板之間建立接觸單元[1]，設置接觸單元只受壓不受拉，約束支座底板底面所有節點3個自由度，支座見圖4。

圖4 支座示意圖

各桿端作用荷載由總體MIDAS模型提取，MIDAS模型提值節點與ANSYS模型加載節點位置一致，本節點分析每個節點均提取6個分力，荷載轉換并施加到ANSYS模型步驟為：（1）調整ANSYS施加節點坐標系與MIDAS提值單元相同。（2）若提值節點為MIDASI節點，將My正號、其他5個分力反號施加到ANSYS模型中；若提值節點為MIDASJ節點，將My反號、其他5個分力正號施加到ANSYS模型中。

荷載組合采用主力組合：恒載+汽車活載+人群荷載+汽車沖擊力[2]。活荷載考慮支反力最大、V撐跨中撐桿軸力最大和V撐邊跨撐桿軸力最大3種工況。經對比，3種工況支座反力最大值與最小值相差0.7%，可僅選取其中一種工況做有限元分析。選取V撐中跨軸力最大工況，各桿端荷載值見表2。

表2 桿端荷載

圖5 桿件編號及坐標系示意圖

模型采用如下方法自校：同時不考慮MIDAS和ANSYS模型中本節點自重，對比MIDAS和ANSYS模型支座反力，兩者完全一致。考慮本節點自重后，由于MIDAS模型沒有精確建立節點板，結果稍有差異。

3.2 主要計算結果

本橋節點板受力最不利，控制設計，其最不利位置出現在支座順橋向邊緣。由于航空限高，兩側斜腹桿軸線與水平面夾角較小，桿件軸線交叉點與底板距離短，兩側斜腹板會按最短路徑傳力至支座兩側。計算發現，通過增設中腹板和增加節點板板厚能有效降低節點板應力水平；通過將兩側斜桿腹板用橫隔板連接、增設底板順橋向加勁能在一定程度上降低節點板應力水平。在3.1節荷載工況下，節點板、中腹板MISES應力分布分別見圖6、圖7。另外，若無航空限高，向下加高節點板也能有效減小節點板應力水平。

圖6 節點板MISES應力圖（單位：MPa）

圖7 中腹板MISES應力圖（單位：MPa）

本橋支座順橋向邊緣受力大，中間小，受力特點與節點板相應。支座球面滑板采用改性超高分子量聚乙烯滑板，其允許壓應力僅45MPa，其壓應力圖見圖8。本橋最大壓應力發生在球面滑板邊緣，為35.9MPa，小于允許值。

圖8 支座球面滑板壓應力（單位：MPa）

4 結語

本文介紹了三官堂大橋中支點節點構造設計和有限元計算方法，摘取了主要計算結果，通過計算結果說明此節點的設計安全、可靠。對于設計、分析該類節點，做如下總結：

（1）節點內板件宜與桿件對應，主要受力板件不宜截斷。

（2）對于本節點，通過增設中腹板和增加節點板板厚能有效降低節點板應力水平；通過將兩側斜腹板用橫隔板連接、增設底板順橋向加勁，能在一定程度上降低節點板應力水平。另外，若無航空限高，向下加高節點板也能有效減小節點板應力水平。

（3）支座墊板尺寸較大時，應采用一定措施，避免焊接時支座墊板脫空。

（4）支座剛度對有限元分析結果影響較大，為反應節點真實受力情況，應真實模擬支座。同時，若支座受力不均勻，球面滑板可能控制設計，應引起重視。

（5）桿件長度宜取不小于3倍桿件高度范圍，以盡量減小桿件邊界失真對節點板應力的擾動。

（6）MIDAS與ANSYS荷載轉換較復雜，可采用本文提供方法轉換并自校。