網(wǎng)狀吊桿系桿拱橋主拱吊點隔板應(yīng)力擴散趨勢分析

姚寶文

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）廣東有限公司，廣東 佛山 528000]

0 引言

近十年來，我國進入了基礎(chǔ)建設(shè)的迅猛發(fā)展時期。隨著橋梁跨徑的不斷加大，橋梁經(jīng)濟指標的不斷優(yōu)化，對于橋梁各個節(jié)點精細化分析的要求也越來越高。對于網(wǎng)狀吊桿系桿拱橋主拱吊點隔板這種受力復(fù)雜且應(yīng)力集中的局部位置，其應(yīng)力擴散情況控制著節(jié)點構(gòu)造及板件的設(shè)計[1]。本文結(jié)合深汕大橋設(shè)計，通過對其主拱吊點隔板的有限元分析，總結(jié)本結(jié)構(gòu)節(jié)點應(yīng)力擴散趨勢，為工程設(shè)計積累經(jīng)驗。

1 工程概況

深汕大橋是深汕大道擴建提升工程中的重要節(jié)點，主橋采取230 m 主跨1 跨跨越赤石河。主橋上部采用網(wǎng)狀吊桿鋼混組合梁拱橋結(jié)構(gòu)，整幅設(shè)計，橋?qū)?6 m，主拱拱肋中間設(shè)置，兩側(cè)設(shè)置車行道，車行道外側(cè)設(shè)置人行道，拱肋之間設(shè)置慢行系統(tǒng)。

深汕大橋主橋采用網(wǎng)狀吊桿鋼混組合梁拱橋，主橋理論跨徑為230 m，計算跨徑為227 m，主拱矢跨比為1/5.5。深汕大橋主橋總體布置見圖1。

圖1 深汕大橋主橋總體布置圖（單位：mm）

主橋采用網(wǎng)狀吊索體系，采用高疲勞應(yīng)力幅環(huán)氧涂層鋼絞線拉索，兩端采用復(fù)合擠壓冷鑄錨，鋼絞線標準強度Ryb=1 860 MPa，吊桿型號為?15.2-43和?15.2-55。拉索的疲勞性能滿足應(yīng)力上限0.4 fptk（fptk為斜拉索的標準抗拉強度），疲勞應(yīng)力幅為400 MPa。

吊索與主梁的傾斜角度在48.1°～60.6°范圍內(nèi)，吊索在主梁上的索距為7 m。吊索在拱上以吊耳銷接錨固，在主梁上設(shè)置張拉端，采用鋼錨箱形式錨固。全橋共60 根吊桿。

主拱吊桿錨固采用耳板銷接形式，耳板與隔板十字交叉，在隔板上開槽口，耳板與隔板的交叉長度不小于1.3 m。耳板采用變厚度，厚度從50 mm 變化到120 mm。主拱吊點隔板構(gòu)造見圖2。

圖2 主拱吊點隔板構(gòu)造圖（單位：mm）

2 計算條件

對于局部模型，首先應(yīng)該準確模擬其邊界條件，主拱除了自身拱腳約束外，主要是受到風撐及拉索的作用；其次是準確模擬其荷載效應(yīng)，主拱及其隔板的力的傳遞應(yīng)該符合圣維南原理[2]。

2.1 荷載計算

從總體模型計算結(jié)果中可以看出，主拱主要承受壓力，拉索產(chǎn)生的彎矩非常小。正常使用狀態(tài)下作用標準組合的主拱彎矩圖、軸力圖見圖3、圖4，從模型中讀出的索力結(jié)果見表1。

圖3 正常使用狀態(tài)下作用標準組合的主拱彎矩（單位：kN·m）

圖4 正常使用狀態(tài)下作用標準組合的主拱軸力（單位：kN）

表1 索力計算結(jié)果 單位：kN

2.2 模型建立

采用Civil FEA 建立板單元模型，模型格柵密度為50 mm。考慮主拱腹板加勁對應(yīng)力的有利影響，同時考慮吊點隔板加勁和人孔對應(yīng)力擴算的不利影響。板單元模型消隱圖見圖5。

圖5 板單元模型消隱圖

2.3 吊耳板加載

建立了局部模型后，將索力轉(zhuǎn)化成吊耳板的均布力F，該均布力可以通過赫茲公式計算[3-4]。赫茲公式原理圖示見圖6。

圖6 赫茲公式原理圖示

接觸面半寬a 為：

吊耳板最大接觸應(yīng)力σHmax為:

3 結(jié)果分析

3.1 吊耳板應(yīng)力

吊耳板應(yīng)力云圖見圖7。由圖7 可知，應(yīng)力流主要通過跟耳板接觸的吊點隔板和主拱底板傳遞，其余板件基本不參與傳遞。吊耳板與隔板相交處沿豎向高度方向的應(yīng)力變化曲線見圖8。

圖7 吊耳板應(yīng)力云圖（單位:MP a）

圖8 吊耳板與隔板相交處沿豎向高度方向的應(yīng)力分布圖

吊耳板在上段呈線性擴散趨勢，即越往高處應(yīng)力越小，擴散（衰減）速率約為-1.7 MPa/100 mm（減小為負值，反之為正值）。吊耳板在隔板與主拱底板交界處應(yīng)力較為復(fù)雜，應(yīng)綜合考慮。

吊耳板在主拱底板交界沿橫向應(yīng)力分布見圖9。

圖9 吊耳板在主拱底板交界沿橫向應(yīng)力分布圖

吊耳板在主拱底板交界沿橫向應(yīng)力分布基本對稱，主拱腹板和吊耳板加勁對應(yīng)力擴散有較大影響。吊耳板總體應(yīng)力水平較低，結(jié)構(gòu)安全可靠。

3.2 吊點隔板應(yīng)力

吊點隔板應(yīng)力云圖見圖10。由圖10 可見，應(yīng)力主要在隔板下部的吊耳板范圍傳遞，受到主拱底板、腹板及吊耳板的影響。

圖10 吊點隔板應(yīng)力云圖（單位:MP a）

圖11 為隔板沿豎向高度方向的應(yīng)力分布圖集。圖11 中：應(yīng)力1 為隔板在吊耳板處沿高度方向的分布曲線；應(yīng)力2 為隔板中心沿高度方向的應(yīng)力分布曲線；應(yīng)力3 為吊耳板相對隔板中心線對稱位置沿高度方向的應(yīng)力分布曲線。

圖11 隔板沿豎向高度方向的應(yīng)力分布圖集

由圖11 可見，吊點隔板范圍的應(yīng)力呈線性擴散趨勢，規(guī)律明顯。但上下兩端受到人洞加勁及主拱底板的影響較大，特別是吊耳板頂端，隔板開洞對隔板應(yīng)力影響很大。隔板總體應(yīng)力水平較低，結(jié)構(gòu)安全可靠。

4 結(jié)語

（1）從有限元分析結(jié)果可以推出，本工程的網(wǎng)狀吊桿系桿拱橋的吊耳及吊點隔板在應(yīng)力傳遞中呈線性擴散趨勢。

（2）吊耳板及吊點隔板的應(yīng)力傳遞受到厚板約束時，對應(yīng)力傳遞影響較大。

（3）本工程吊耳板及吊點隔板應(yīng)力滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全可靠。