獨塔四索面異型斜拉橋塔梁固結(jié)節(jié)點受力性能分析研究

何武超

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引言

隨著國內(nèi)城市化進(jìn)程的縱深發(fā)展，城市橋梁除了滿足基本的交通功能要求之外，更是承載了城市形象的景觀工程。寧波外灘大橋主橋作為一座主跨225 m的獨塔四索面異型斜拉橋，造型新穎，喻意深刻，與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)融合，比之于常規(guī)斜拉橋，在建筑造型、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及施工工藝等方面，對各方參建者都提出了更高的要求。本文以該橋為工程背景，介紹了該橋的塔梁固結(jié)節(jié)點的應(yīng)力傳遞路徑、受力機理、合理構(gòu)造設(shè)計。

1 工程概況

寧波外灘大橋是寧波市“五路四橋”工程的一部分，位于甬江橋下游江北區(qū)與江東區(qū)交界處，是地處市中心的一座景觀橋梁，建成后將成為寧波市"三江六岸"又一地標(biāo)性建筑。外灘大橋主橋采用獨塔四索面異型斜拉橋全鋼結(jié)構(gòu)，跨徑布置自西向東為主跨225 m+邊跨82 m+30 m＝337 m?？傮w布置見圖1。

主橋主塔采用三角形斜塔結(jié)構(gòu)，位于兩幅分離式主梁的中間位置。主塔結(jié)構(gòu)由四部分組成：前塔柱、上塔頭錨固區(qū)、后斜桿、水平桿。

主梁采用分離式鋼箱梁，通過橫梁連為整體。江東側(cè)主梁兩側(cè)向下懸挑伸出曲線的人行橋。人行系統(tǒng)包括人行道和人行橋兩部分，均采用懸臂工字形鋼梁+縱向小主梁結(jié)構(gòu)型式。

2 塔梁固結(jié)節(jié)點受力特點

塔梁固結(jié)節(jié)點（見圖2）作為平衡主跨軸力、邊跨軸力、前塔柱水平分力的重要構(gòu)造，除了承受前塔柱傳遞而來巨大的豎向力，將其順利傳遞至主墩下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之外，還是橫向活載在主梁與固結(jié)約束端產(chǎn)生較大橫向彎矩的關(guān)鍵部位，上下行兩幅橋的主梁側(cè)向固結(jié)在前塔柱上，該側(cè)向約束的強弱程度，使得軸力的傳遞和彎矩剪力滯的效應(yīng)顯得尤為復(fù)雜。該節(jié)點受力特點體現(xiàn)在：

（1）主跨及邊跨的斜拉索軸向不平衡分力所引起的縱向剪力及平面扭矩；

（2）主橋活載所引起的豎向剪力及橫向彎矩。

3 塔梁固結(jié)節(jié)點受力性能分析研究

3.1 研究目的及內(nèi)容

外灘大橋建筑景觀造型的輕盈和飄逸決定了結(jié)構(gòu)受力特性和節(jié)點構(gòu)造設(shè)計的復(fù)雜程度。塔梁固結(jié)節(jié)點作為非常規(guī)構(gòu)造，常規(guī)設(shè)計理論無法滿足設(shè)計要求及精度，因此，展開對其受力分析研究，為設(shè)計提供必要設(shè)計參數(shù)和依據(jù)，充分實現(xiàn)景觀和結(jié)構(gòu)的設(shè)計意圖，確保塔梁節(jié)點的結(jié)構(gòu)安全可靠，顯得頗為緊要，意義重大。

鑒于問題的復(fù)雜程度較高，獲得其解析解不現(xiàn)實，而用于設(shè)計的近似理論方法不足以獲得足夠的精確度，因此，本研究采用大型通用有限元分析軟件ANSYS建立仿真模型，分析其在設(shè)計荷載作用下節(jié)點各組成部件間力的傳遞，理解大跨度結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點周圍的局部應(yīng)力大小和應(yīng)力分布規(guī)律，研究在恒載及各荷載組合作用下，塔梁固結(jié)節(jié)點的應(yīng)力傳遞路徑、受力機理、合理構(gòu)造設(shè)計。

3.2 有限元分析

3.2.1 有限元模型

本節(jié)點受力分析采用通用有限元程序ANSYS對上述塔梁節(jié)點建立板殼有限元模型，見圖3。

圖1 外灘大橋主橋總體布置圖

圖2 節(jié)點構(gòu)造示意圖（對稱模型）

圖3 節(jié)點有限元模型示意圖

鋼板均采用板殼單元SHELL63模擬，模型兩側(cè)各有一段由梁單元Beam44模擬的剛臂，剛臂一端與板殼模型邊界用剛域耦合，另一端施加桿單元內(nèi)力。剛臂梁單元的截面幾何屬性與主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面相當(dāng)，彈性模量為鋼材的100倍，可以滿足傳力要求。剛臂桿端力為全橋桿系模型總體計算中相應(yīng)截面的內(nèi)力。

3.2.2 研究荷載

塔梁固結(jié)節(jié)點結(jié)構(gòu)上的荷載分為：

（1）該節(jié)點范圍內(nèi)索梁錨固區(qū)的內(nèi)外索力；

（2）該節(jié)點范圍內(nèi)二期恒載；

（3）節(jié)點范圍內(nèi)汽車、人群均布荷載及汽車集中荷載；

（4）該節(jié)點邊界內(nèi)力，即主梁Z2節(jié)段、主梁B2節(jié)段、前塔柱TA-2節(jié)段橫斷面上的整體桿系模型相應(yīng)的軸力、彎矩、剪力。

3.2.3 邊界條件

約束邊界條件的設(shè)定通過固結(jié)前塔柱塔底TA-0處位移、轉(zhuǎn)角六個方向自由度來實現(xiàn)。

內(nèi)力邊界條件的設(shè)定采用“混合單元”模式，即分析對象的板單元+過渡區(qū)域的梁單元，充分利用桿系模型的梁單元內(nèi)力作為混合單元的邊界條件，精確模擬其所關(guān)注部位的應(yīng)力傳遞機理及分布水平。

對于主力荷載組合工況（恒載+活載） 和主力荷載+溫度荷載組合工況（恒載+活載+溫度），桿系模型分析計算結(jié)果表明，軸向力所產(chǎn)生的應(yīng)力在組合應(yīng)力中所占比重較大，故選取軸力最大對應(yīng)的荷載組合作為最終的內(nèi)力邊界，見圖4。

圖4 有限元模型內(nèi)力邊界示意圖

3.3 研究結(jié)果

（1）恒載、組合1工況下應(yīng)力水平較組合2工況下低，組合2工況下節(jié)點各板件Von Mises應(yīng)力均在200 MPa以下，且屬于應(yīng)力集中部位，整體應(yīng)力水平在120～180 MPa之間，節(jié)點結(jié)構(gòu)設(shè)計安全、合理，滿足規(guī)范要求，見表1。

表1 主梁平面板件Von Mises應(yīng)力匯總（單位：MPa）

（2）塔梁固結(jié)節(jié)點的平面板件整體Von Mises應(yīng)力處于100～130 MPa之間，富余度較大。Z0+Z0a頂板圓弧過渡處的局部應(yīng)力集中達(dá)到130～150 MPa，滿足規(guī)范要求。

（3）Z1～B1頂板、底板縱橋向應(yīng)力基本處于受壓狀態(tài)，橫橋向應(yīng)力在Z0與Z0a相交處較大，體現(xiàn)出主橋鋼箱梁懸臂支撐于Z0a的受力特性；頂板、底板主橋側(cè)、引橋側(cè)兩處倒圓角過渡區(qū)域產(chǎn)生一拉一壓應(yīng)力集中，體現(xiàn)出主引橋兩側(cè)不平衡軸力所產(chǎn)生的平面扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，見圖5。

（4）塔梁固結(jié)節(jié)點豎向力的傳遞路徑為前塔柱TA2～TA1-主梁Z0a頂板、隔板、底板-前塔柱TA0。對應(yīng)該傳遞路徑，受力特性上表現(xiàn)出TA1節(jié)段面板應(yīng)力水平較高，通過Z0a的過渡，到TA0節(jié)段部位其應(yīng)力水平已經(jīng)有所降低。結(jié)構(gòu)設(shè)計安全、合理，節(jié)點構(gòu)造處理較為理想地達(dá)到了應(yīng)力擴(kuò)散的設(shè)計目的。

（5）塔梁固結(jié)節(jié)點水平力在Z2～B1箱梁軸線上處于不平衡狀態(tài)，主跨側(cè)軸向力較邊跨側(cè)大。該不平衡力與TA1軸向力的水平分力進(jìn)行平衡，但在平面形成一對力偶產(chǎn)生的平面扭矩，反映到結(jié)構(gòu)受力上則是Z0+Z0a頂、底板兩個邊角圓弧過渡段產(chǎn)生一壓一拉的應(yīng)力集中。

圖5 Von Mises應(yīng)力（恒載，單位：kPa）

4 結(jié)語

外灘大橋作為國內(nèi)首座獨塔四索面異型斜拉橋，造型奇特，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。塔梁固結(jié)節(jié)點匯集三個方向的關(guān)鍵節(jié)段構(gòu)造（主梁節(jié)段Z0、前塔柱節(jié)段TA-1、墩頂主梁Z0a、塔墩固結(jié)節(jié)段TA-0） 主跨分離式雙主梁與前塔柱通過橫梁交匯在一起。整個節(jié)點構(gòu)造板件立體交錯，縱、橫、豎向加勁密布，空間狹小，為非常規(guī)構(gòu)造設(shè)計，國內(nèi)外可借鑒的類似的工程經(jīng)驗較少。本文借助通用有限元程序展開對其受力分析研究，為設(shè)計提供必要設(shè)計參數(shù)和依據(jù)，包括關(guān)鍵節(jié)點的應(yīng)力傳遞路徑、受力機理、合理構(gòu)造設(shè)計等，充分實現(xiàn)了景觀和結(jié)構(gòu)的設(shè)計意圖，確保了塔梁節(jié)點的結(jié)構(gòu)安全可靠。外灘大橋2008年6月正式開工建設(shè)，于2010年年底順利竣工通車，至今運營良好。

[1]馬骉，葛競輝，張俊杰.寧波市外灘大橋設(shè)計[A].2011全國橋梁學(xué)術(shù)會議[C].2011.

[2]周震磊，廖德川，鄢偉.寧波市外灘大橋主塔施工關(guān)鍵技術(shù)[J].城市道橋與防洪，2010（9）：225-227.

[3]何武超，張俊杰，馬骉.寧波外灘大橋——獨塔四索面異型斜拉橋施工控制[A].2012全國斜拉橋關(guān)鍵技術(shù)論文集[C].2012.

[4]卓衛(wèi)東，房貞政，林清.墩塔梁固結(jié)體系斜拉橋固結(jié)節(jié)點受力分析[J].福州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），1999（4）：83-87.

[5]劉士林，等.斜拉橋[M].北京：人民交通出版社，2002，380-383.