整體節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)鋼桁梁橋受力性能的影響

高 強(qiáng)， 黃天立， 陳 龍， 馮錫良

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410075； 2. 中鐵二局四工程有限公司， 四川 成都 610306)

鋼桁梁橋具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、強(qiáng)度高、自重輕、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于橋梁建設(shè)。鋼桁梁整體節(jié)點(diǎn)，即將節(jié)點(diǎn)板與一端的弦桿焊接成為一個(gè)整體，其主桁節(jié)點(diǎn)板成為弦桿的一部分，已廣泛應(yīng)用于鋼桁梁橋設(shè)計(jì)[1～3]。與傳統(tǒng)的散拼節(jié)點(diǎn)相比，整體節(jié)點(diǎn)在節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布、工地拼裝工作量等方面都體現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)。20世紀(jì)90年代，我國(guó)第一次采用焊接整體節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)外拼接技術(shù)建成京九線孫口黃河大橋，隨后建成的蕪湖長(zhǎng)江大橋、四渡河大橋、東新贛江特大橋、鄭新黃河大橋以及在建的滬通長(zhǎng)江大橋等均采用了整體節(jié)點(diǎn)技術(shù)[4～8]。

目前，在對(duì)鋼桁梁橋進(jìn)行有限元分析和設(shè)計(jì)時(shí)，仍常常偏于簡(jiǎn)單的將整體節(jié)點(diǎn)視為簡(jiǎn)單鉸接或剛接，整體節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)鋼桁梁橋受力性能的影響值得進(jìn)一步研究。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)整體節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)鋼桁梁橋受力性能的影響進(jìn)行了一些研究。如國(guó)外學(xué)者Raul Zaharia等[9]通過(guò)試驗(yàn)研究，提出了節(jié)點(diǎn)剛度的理論計(jì)算公式。程斌等[10,11]以典型 Warren桁架為研究對(duì)象，分析了節(jié)點(diǎn)剛域?qū)U件次應(yīng)力分布的影響規(guī)律，并對(duì)整體節(jié)點(diǎn)優(yōu)化做了一些研究。黃永輝等[12]研究了節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)鋼桁梁橋動(dòng)靜力特性的影響。劉海峰等[13]計(jì)算分析了節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)輸電塔受力的影響。盛興旺等[14]對(duì)榕江特大橋分別建立了常規(guī)梁?jiǎn)卧Ｐ汀⒍喑叨饶Ｐ秃蛶偙哿簡(jiǎn)卧Ｐ?，?duì)比分析后指出帶剛臂梁?jiǎn)卧Ｐ涂勺鳛槟M節(jié)點(diǎn)剛度的一種簡(jiǎn)便方法。

綜合國(guó)內(nèi)外研究可以看出，在鋼桁梁橋有限元分析中，整體節(jié)點(diǎn)的剛度處理方法主要有三種：主從節(jié)點(diǎn)法、剛性材料法[15]和帶剛臂空間梁?jiǎn)卧╗16]。主從節(jié)點(diǎn)法使得節(jié)點(diǎn)剛性域不能發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而過(guò)高地模擬了節(jié)點(diǎn)剛性域的剛度；剛性材料法建模工作量較大；帶剛臂空間梁?jiǎn)卧ㄗ顬楹?jiǎn)便高效。

應(yīng)該指出，目前關(guān)于整體節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)鋼桁梁橋受力性能影響的研究多基于橋梁的成橋狀態(tài)，而針對(duì)整體節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)鋼桁梁橋施工階段受力性能的影響研究工作較少。然而，在施工狀態(tài)下，橋梁結(jié)構(gòu)所處工況繁多，某些最不利工況下，結(jié)構(gòu)受力可能比成橋狀態(tài)更為不利；另外，在施工狀態(tài)下，需對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)線形進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控和調(diào)整，這與成橋狀態(tài)有所不同?；诖?，本文以蒙華重載鐵路跨平汝高速大橋64 m鋼桁梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，分別建立節(jié)點(diǎn)鉸接、節(jié)點(diǎn)剛接和考慮節(jié)點(diǎn)剛度影響的帶剛臂空間梁?jiǎn)卧邢拊Ｐ?，?duì)比分析三種有限元模型情況下，該鋼桁梁橋拖拉施工全過(guò)程的受力性能，探討整體節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)鋼桁梁橋拖拉施工過(guò)程受力性能的影響。

1 工程背景

蒙華鐵路跨平汝高速大橋全長(zhǎng)210.705 m，設(shè)置5墩2臺(tái)，橋跨布置為1×24 m簡(jiǎn)支T梁+1×64 m鋼桁梁+1×32 m簡(jiǎn)支T梁+3×24 m簡(jiǎn)支T梁。線路在1#、2#墩之間跨平汝高速設(shè)計(jì)為1×64 m鋼桁梁，鋼桁梁為單線整體節(jié)點(diǎn)平行弦三角桁架下承式簡(jiǎn)支鋼桁梁，計(jì)算跨度64 m，梁全長(zhǎng)66 m，其中兩端支座中心線至梁端距離1 m，節(jié)間長(zhǎng)度為12.8 m，桁高12.8 m，主桁中心距8.5 m。鋼桁梁橋結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 鋼桁梁橋結(jié)構(gòu)示意/mm

2 建立模型及分析計(jì)算

2.1 有限元模型

針對(duì)該64 m鋼桁梁橋，采用MIDAS/CIVIL有限元分析軟件分別建立了節(jié)點(diǎn)鉸接、節(jié)點(diǎn)剛接和考慮節(jié)點(diǎn)剛度影響的帶剛臂空間梁?jiǎn)卧N有限元模型。圖2分別給出了節(jié)點(diǎn)鉸接、節(jié)點(diǎn)剛接和帶剛臂三種整體節(jié)點(diǎn)處理方式的力學(xué)示意圖。

圖2 整體節(jié)點(diǎn)力學(xué)示意

三種有限元模型中，桁架桿件均采用MIDAS/CIVIL一般梁?jiǎn)卧M，通過(guò)釋放梁端約束達(dá)到節(jié)點(diǎn)鉸接效果，如圖2a所示；節(jié)點(diǎn)剛接則可以直接由一般梁?jiǎn)卧獙?shí)現(xiàn)，如圖2b所示；通過(guò)施加梁端剛域?qū)⒁话懔簡(jiǎn)卧D(zhuǎn)變?yōu)閹偙劭臻g梁?jiǎn)卧?，如圖2c所示。圖3給出了節(jié)點(diǎn)剛接的全橋有限元模型，包括拖拉施工過(guò)程中所需要的導(dǎo)梁部分。

圖3 節(jié)點(diǎn)剛接全橋有限元模型

2.2 模型分析計(jì)算

針對(duì)該跨平汝高速64 m鋼桁梁橋，研究共考慮了18個(gè)施工階段，如表1所示。限于篇幅，本文僅選取兩個(gè)典型施工狀態(tài)進(jìn)行分析。施工狀態(tài)1：主桁桿件內(nèi)力最大施工狀態(tài)，此時(shí)全橋臨時(shí)支撐情況如圖4所示。施工狀態(tài)2：鋼桁梁拖拉就位，此時(shí)全橋臨時(shí)支撐情況如圖5所示。

表1 鋼桁梁拖拉施工過(guò)程工況劃分

圖4 施工狀態(tài)1全橋臨時(shí)支撐示意

圖5 施工狀態(tài)2全橋臨時(shí)支撐示意

3 計(jì)算結(jié)果分析

針對(duì)兩種典型的施工狀態(tài)，考慮節(jié)點(diǎn)鉸接、節(jié)點(diǎn)剛接和帶剛臂空間梁?jiǎn)卧N有限元模型，分別計(jì)算分析了鋼桁梁橋各桿件端部?jī)?nèi)力、組合應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)的整體位移響應(yīng)。需要說(shuō)明的是，文中組合應(yīng)力均指軸力產(chǎn)生的應(yīng)力與彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力的組合。為方便識(shí)別桿件端部位置，以桿件A1E0為例，A1端表示為A1E0，E0端表示為E0A1。

3.1 桿件端部?jī)?nèi)力計(jì)算結(jié)果分析

由于E4，A5節(jié)點(diǎn)所連接桿件端部?jī)?nèi)力相對(duì)其他桿件較大，限于篇幅，本文僅選擇這些桿件進(jìn)行分析。計(jì)算結(jié)果如圖6～8所示。

由圖6可以看出，三種模型中各桿件端部軸力值分布規(guī)律相同，且軸力值相差很小。施工狀態(tài)1時(shí)，三種模型軸力值最大相差9%(除臨時(shí)支撐點(diǎn)E4右側(cè)E4E4′，E4′E4桿件端部相差約35%外)；施工狀態(tài)2時(shí)，三種模型軸力值最大相差7%。

由圖7可以看出，三種模型中各桿件端部剪力值分布規(guī)律基本一致。施工狀態(tài)1時(shí)，節(jié)點(diǎn)鉸接模型的桿件端部剪力值相對(duì)較大(除靠近臨時(shí)支撐點(diǎn)E4的E4E4′，E4E2桿件端部的帶剛臂空間梁?jiǎn)卧Ｐ洼^大外)，三種模型剪力值最大相差約44%；施工狀態(tài)2時(shí)，也是節(jié)點(diǎn)鉸接模型的桿件端部剪力值相對(duì)較大(除E4E4′，E2E4桿件端部的帶剛臂空間梁?jiǎn)卧Ｐ洼^大外)，三種模型剪力值最大相差約36%。

由圖8可以看出，兩種模型中各桿件端部彎矩值分布規(guī)律基本一致，但帶剛臂空間梁?jiǎn)卧Ｐ偷臈U件端部彎矩值比剛接模型大的多。施工狀態(tài)1時(shí)，兩種模型彎矩值相差32%～63%(除E4′E4桿件端部相差89%外)；施工狀態(tài)2時(shí)，兩種模型上弦及腹桿彎矩值相差5%～46%、下弦桿彎矩值相差60%～91%。

圖6 各模型桿件端部軸力對(duì)比

圖7 各模型桿件端部剪力對(duì)比

圖8 各模型桿件端部彎矩對(duì)比

綜合圖6～8對(duì)比分析結(jié)果可知，整體節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)鋼桁梁施工階段的桿件軸力影響不大，可以不予考慮；在鋼桁梁拖拉施工階段，由整體節(jié)點(diǎn)剛度引起的桿件端部次彎矩非常顯著，這對(duì)桿件受力十分不利，應(yīng)予以重視。

3.2 組合應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析

針對(duì)兩種典型的施工狀態(tài)，考慮節(jié)點(diǎn)鉸接、節(jié)點(diǎn)剛接和帶剛臂空間梁?jiǎn)卧N有限元模型，分別計(jì)算各桿件端部組合應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果如圖9～11所示。

由圖9可以看出，三種模型中上弦桿的桿件端部組合應(yīng)力值分布規(guī)律基本一致，但帶剛臂空間梁?jiǎn)卧Ｐ偷膽?yīng)力值比其他兩個(gè)模型大的多，應(yīng)力大小大致為帶剛臂空間梁?jiǎn)卧Ｐ?節(jié)點(diǎn)剛接模型>節(jié)點(diǎn)鉸接模型。施工狀態(tài)1時(shí)，鉸接模型與帶剛臂空間梁?jiǎn)卧Ｐ蛻?yīng)力值最大相差69%，剛接模型與帶剛臂空間梁?jiǎn)卧Ｐ蛻?yīng)力值最大相差30%；施工狀態(tài)2時(shí)，鉸接模型與帶剛臂空間梁?jiǎn)卧Ｐ蛻?yīng)力值最大相差36%，剛接模型與帶剛臂空間梁?jiǎn)卧Ｐ蛻?yīng)力值最大相差24%。

圖9 各模型上弦桿的桿件端部組合應(yīng)力對(duì)比

圖10 各模型下弦桿的桿件端部組合應(yīng)力對(duì)比

圖11 各模型腹桿的桿件端部組合應(yīng)力對(duì)比

由圖10可以看出，三種模型中下弦桿的桿件端部組合應(yīng)力值分布規(guī)律基本一致，但帶剛臂空間梁?jiǎn)卧Ｐ偷膽?yīng)力值比其他兩個(gè)模型大的多，應(yīng)力大小大致為帶剛臂空間梁?jiǎn)卧Ｐ?節(jié)點(diǎn)剛接模型>節(jié)點(diǎn)鉸接模型。施工狀態(tài)1時(shí)，鉸接模型與帶剛臂空間梁?jiǎn)卧Ｐ蛻?yīng)力值最大相差97%，剛接模型與帶剛臂空間梁?jiǎn)卧Ｐ蛻?yīng)力值最大相差52%；施工狀態(tài)2時(shí)，鉸接模型與帶剛臂空間梁?jiǎn)卧Ｐ蛻?yīng)力值最大相差55%，剛接模型與帶剛臂模型應(yīng)力值最大相差31%。

由圖11可以看出，三種模型中腹桿的桿件端部組合應(yīng)力值分布規(guī)律相同，但帶剛臂空間梁?jiǎn)卧Ｐ偷膽?yīng)力值比其他兩個(gè)模型要大，應(yīng)力大小大致為帶剛臂空間梁?jiǎn)卧Ｐ?節(jié)點(diǎn)剛接模型>節(jié)點(diǎn)鉸接模型。施工狀態(tài)1時(shí)，鉸接模型與帶剛臂空間梁?jiǎn)卧Ｐ蛻?yīng)力值最大相差79%，剛接模型與帶剛臂空間梁?jiǎn)卧Ｐ蛻?yīng)力值最大相差24%；施工狀態(tài)2時(shí)，鉸接模型與帶剛臂空間梁?jiǎn)卧Ｐ蛻?yīng)力值最大相差70%，剛接模型與帶剛臂空間梁?jiǎn)卧Ｐ蛻?yīng)力值最大相差18%。

綜合圖9～11對(duì)比分析結(jié)果可知，整體節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)施工階段桿件端部組合應(yīng)力影響顯著，其中受彎構(gòu)件的桿件端部組合應(yīng)力受節(jié)點(diǎn)剛度影響最為顯著，橋梁施工階段對(duì)應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)控時(shí)，應(yīng)充分考慮整體節(jié)點(diǎn)剛度的影響。

3.3 位移計(jì)算結(jié)果分析

針對(duì)兩種典型的施工狀態(tài)，考慮節(jié)點(diǎn)鉸接、節(jié)點(diǎn)剛接和帶剛臂空間梁?jiǎn)卧N有限元模型，分別計(jì)算結(jié)構(gòu)位移。文中僅對(duì)主桁上弦節(jié)點(diǎn)的撓度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如圖12所示。

圖12 各模型主桁上弦節(jié)點(diǎn)的撓度對(duì)比

由圖12可以看出，三種模型中主桁上弦節(jié)點(diǎn)的撓度值分布規(guī)律相同，且撓度值相差很小，撓度值大小呈現(xiàn)出帶剛臂空間梁?jiǎn)卧Ｐ?節(jié)點(diǎn)剛接模型<節(jié)點(diǎn)鉸接模型的規(guī)律。帶剛臂空間梁?jiǎn)卧Ｐ团c剛接模型的撓度值在兩種施工狀態(tài)下相差均不超過(guò)2%；帶剛臂空間梁?jiǎn)卧Ｐ团c鉸接模型的撓度值在兩種施工狀態(tài)下相差均不超過(guò)8%。由此可見(jiàn)，整體節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)鋼桁梁施工階段的撓度影響不大，可以不予考慮。

4 結(jié) 論

本文以蒙華重載鐵路跨平汝高速64 m鋼桁梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，針?duì)其拖拉施工過(guò)程中的兩種典型施工狀態(tài)，分別建立了節(jié)點(diǎn)鉸接、節(jié)點(diǎn)剛接和帶剛臂空間梁?jiǎn)卧?種有限元模型，對(duì)比分析了鋼桁梁在兩種施工狀態(tài)下的內(nèi)力、組合應(yīng)力及撓度。研究表明：整體節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)施工階段鋼桁梁的桿件軸力和撓度影響不大；對(duì)鋼桁梁的桿件端部組合應(yīng)力和桿件端部次彎矩影響很大，其中對(duì)受彎構(gòu)件的影響最為顯著。因此，在鋼桁梁橋拖拉施工過(guò)程中，應(yīng)充分考慮整體節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)鋼桁梁橋受力性能的影響。