廣西梧州西江四橋局部復(fù)雜節(jié)點(diǎn)有限元計(jì)算分析

阮波

摘要：文章對(duì)廣西梧州市西江四橋開展研究，以主橋的工程方案為基礎(chǔ)，利用有限元軟件ANSYS對(duì)橋梁的邊拱肋系桿錨固節(jié)段、混凝土拱箱（包括主拱肋鋼筋混凝土結(jié)合段、邊拱肋鋼筋混凝土結(jié)合段以及混凝土拱肋拱座）進(jìn)行模型分析，并運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，對(duì)該橋的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行局部分析。結(jié)果表明：復(fù)雜節(jié)點(diǎn)大部分區(qū)域的受力情況滿足規(guī)范要求，對(duì)于計(jì)算中出現(xiàn)的應(yīng)力較大的區(qū)域也給出了相應(yīng)的解決方案，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理可靠，局部分析的方法在橋梁設(shè)計(jì)中起到了重要的作用。

關(guān)鍵詞：拱橋;鋼箱系桿;局部分析;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U442 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.021

文章編號(hào)：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(shè)計(jì)的系桿拱橋，設(shè)置了三跨中承式鋼箱，沒有采用較為傳統(tǒng)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(shè)計(jì)在橋面之上。這種獨(dú)特的建筑構(gòu)造也使得橋梁結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，因此有必要在工程的設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行更加精確的計(jì)算與分析。

本文采用大型數(shù)值分析軟件ANSYS對(duì)該橋設(shè)計(jì)計(jì)算中的重要部位（邊拱肋系桿錨固節(jié)段、混凝土拱箱）進(jìn)行了局部精細(xì)化計(jì)算分析，以期為同類型橋梁的設(shè)計(jì)計(jì)算提供有價(jià)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(zhǎng)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(tǒng)活動(dòng)“龍舟賽”的競(jìng)技線路上，為了便于游客和市民觀賽，大橋被設(shè)計(jì)咸雙層橋面，上層為機(jī)動(dòng)車通行，下層為行人和非機(jī)動(dòng)車通行。主橋橋型如圖1所示。

西江四橋的主橋分為300m長(zhǎng)的中跨以及兩個(gè)129m長(zhǎng)的邊跨，橋梁全長(zhǎng)558m，邊跨為兩側(cè)對(duì)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(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)形式，橋面以上是鋼箱拱。為加強(qiáng)空間穩(wěn)定性，中跨拱肋兩肋間設(shè)14道水平聯(lián)系，邊跨拱肋兩肋間設(shè)6道水平聯(lián)系。上下橋面系均為鋼混疊合構(gòu)造（鋼格構(gòu)+混凝土橋面板組成），僅由于負(fù)載不同而在結(jié)構(gòu)尺寸上有所不同。

大橋設(shè)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(shè)置在吊桿橫梁上），系桿在沿上層橋面的整個(gè)主橋長(zhǎng)度范圍內(nèi)，兩端分別錨于兩個(gè)邊跨拱肋端部。僅設(shè)置通長(zhǎng)柔性系桿，不足以使邊拱的強(qiáng)度和剛度滿足要求，大橋還在邊拱內(nèi)設(shè)置了剛性鋼箱系桿。

2局部分析建模

2.1全橋靜力計(jì)算分析

西江四橋的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)局部分析是針對(duì)橋梁的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析后的補(bǔ)充研究，因此西江四橋全橋靜力計(jì)算的分析結(jié)果為復(fù)雜節(jié)點(diǎn)局部分析提供了模型邊界和荷載取值等基礎(chǔ)資料。

基于Midos Civil軟件，對(duì)西江四橋主橋進(jìn)行整體的靜力分析。其中，吊桿、系桿采用桁架單元進(jìn)行模擬，拱肋、腹桿、橫撐采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，主梁則采用梁?jiǎn)卧桶鍐卧M合模式進(jìn)行模擬。邊界條件根據(jù)實(shí)際工程模擬。全橋共2916個(gè)節(jié)點(diǎn)，3619個(gè)單元。模型如圖2所示。

2.2 邊拱肋系桿錨固節(jié)段復(fù)雜節(jié)點(diǎn)局部分析

（1）計(jì)算目的

邊拱肋系桿錨固節(jié)段既為柔性系桿錨固區(qū)，也為拱肋拱腳與鋼縱梁（剛性系桿）的連接區(qū)，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(fù)雜。系桿錨具的預(yù)埋管在混凝土中會(huì)形成較大的孔洞，導(dǎo)致混凝土受力更為復(fù)雜。

（2）材料性能及參數(shù)

使用ANSYS軟件建模計(jì)算，長(zhǎng)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(qiáng)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(qiáng)度設(shè)計(jì)值取22.4MPa，軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(qū)域分布豎向位移約束，拱肋和鋼縱梁切口采用剛域設(shè)置成平截面，將拱肋在切口處進(jìn)行固定端約束，保證選擇的局部結(jié)構(gòu)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(jì)算中的最不利內(nèi)力值。鋼縱梁切口處的內(nèi)力通過剛域主節(jié)點(diǎn)施加。根據(jù)系桿錨具的實(shí)際傳力方式，系桿力通過一環(huán)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(jì)算區(qū)段

此部分計(jì)算包含三個(gè)區(qū)段：主拱肋鋼混結(jié)合段（見圖4）、邊拱肋鋼混結(jié)合段（見圖4）、混凝土拱肋及拱座（見圖5）。

（2）材料性能及參數(shù)

建模時(shí)鋼板采用板殼SHELL63單元模擬，混凝土采用實(shí)體單元SOLID45模擬，預(yù)應(yīng)力筋采用Link8單元模擬，預(yù)應(yīng)力筋與混凝土采用約束方程實(shí)現(xiàn)兩者的連接，預(yù)應(yīng)力筋張拉控制力采用初應(yīng)變法施加。

（3）邊界與荷載

對(duì)于主拱肋和邊拱肋鋼混結(jié)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(duì)稱約束。對(duì)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(duì)稱約束。

從Midas軟件整體分析模型分別提取鋼拱肋上端所對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的軸力最大、剪力最大和彎矩最大時(shí)相應(yīng)的內(nèi)力結(jié)果作為拱座局部分析時(shí)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(shè)置剛性區(qū)域和將集中力分散到該面的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的方法，來減弱應(yīng)力集中的影響。ANSYS軟件有限元模型見圖4-5。

3計(jì)算結(jié)果分析

3.1 邊拱肋系桿錨固節(jié)段局部分析結(jié)果

下頁圖6-7所示為邊拱肋系桿錨固節(jié)段局部模型計(jì)算結(jié)果，得出混凝土大部分應(yīng)力很小，如圖6主拉應(yīng)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(qū)的邊緣外側(cè)存在較大的主拉應(yīng)力。這一情況將采用局部加強(qiáng)鋼筋應(yīng)對(duì)。如圖7所示，主壓應(yīng)力最大值為14.22MPa<22.4MPa，滿足要求。

如圖8所示，鋼結(jié)構(gòu)總體上應(yīng)力不大，大部分區(qū)域在109.235MPa以下，錨墊板區(qū)最大應(yīng)力為152.904MPa。應(yīng)力較大的區(qū)域出現(xiàn)在鋼縱梁頂板一帶。此區(qū)域的較大應(yīng)力主要表現(xiàn)為頂板開孔的應(yīng)力集中。

在排除應(yīng)力集中單元前，圓孔處存在最大應(yīng)力為245.779MPa，小于Q345鋼材的屈服強(qiáng)度及其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，滿足要求。排除縱梁開孔處的應(yīng)力集中單元之后，鋼結(jié)構(gòu)的最不利應(yīng)力點(diǎn)位于如圖9所示錨墊板處。

3.2 混凝土拱箱局部分析結(jié)果

通過對(duì)主拱肋鋼混結(jié)合段的三種工況分析可知，主拱肋結(jié)合段混凝土拱肋最大主應(yīng)力為2.56MPa，出現(xiàn)在軸力最大工況，該結(jié)果偏大，且超出了C60混凝土的抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度1.96MPa。但該值出現(xiàn)在混凝土拱肋倒角處，由于網(wǎng)格劃分的原因，該部位出現(xiàn)了應(yīng)力集中的現(xiàn)象，而此部分以外區(qū)域的混凝土的主拉應(yīng)力均較小。另外結(jié)合段處的混凝土內(nèi)、外及頂面均外包有鋼板，對(duì)混凝土具有一定的約束作用。主拱肋結(jié)合段混凝土拱肋最小主應(yīng)力為17.2MPa，主拱肋結(jié)合段鋼拱肋M(jìn)ises應(yīng)力為116MPa。

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

通過對(duì)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(yīng)力為1.52MPa;如圖14所示拱腳及拱座混凝土拱肋最小主應(yīng)力為-18.8MPa。拱腳及拱座混凝土在混凝土主拉應(yīng)力較大，為了減小圖中所示區(qū)域的主拉應(yīng)力，設(shè)計(jì)中通過對(duì)區(qū)域2中混凝土內(nèi)添加勁性鋼骨架及在混凝土表面布設(shè)防裂鋼筋網(wǎng)的措施，以防止該區(qū)域混凝土出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象。對(duì)于區(qū)域1和區(qū)域3中主拉應(yīng)力較大的現(xiàn)象，設(shè)計(jì)中在拱肋的腹板及頂?shù)装彘g設(shè)置勁性拉桿及在拱肋混凝土表面布設(shè)防裂鋼筋網(wǎng)，以防止混凝土出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象。

4 結(jié)語

局部分析方法能夠在一些具有特殊結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)中發(fā)揮可靠的作用。它計(jì)算出的精細(xì)結(jié)果能夠在很大程度上幫助設(shè)計(jì)者做出準(zhǔn)確的判斷，在整體橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(chǔ)，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，對(duì)該橋的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)進(jìn)行局部分析，結(jié)果表明：

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

（2）邊拱肋系桿錨固節(jié)段混凝土在部分尖角邊緣處以及支座局部受壓區(qū)的邊緣外側(cè)存在較大的主拉應(yīng)力。鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大的區(qū)域出現(xiàn)在鋼縱梁頂板一帶。

（3）拱腳及拱座混凝土主拉應(yīng)力較大，可在混凝土內(nèi)添加勁性鋼骨架、在拱肋的腹板及頂?shù)装彘g設(shè)置勁性拉桿以及在混凝土表面布設(shè)防裂鋼筋網(wǎng)，以防止該區(qū)域混凝土出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象。