九堡大桥设计过程复杂节点局部分析

于 刚

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 前言

大型桥梁，尤其是在城市内建设的桥梁，由于其社会影响范围广，更多的被赋予城市或地区性标志建筑物的期望，除满足使用功能外，还要有美学上的造型要求。设计人员要在构造的多样化要求下进行设计，除了全桥总体计算分析外，还增加了对复杂部位进行详细局部分析的需求。另外，新材料的发展以及不同建筑材料在同一结构中的应用，也对设计提出了更高的要求，为了能够把握不同材料在同一结构中协同工作的性能，需要对设计过程进行精细化计算分析。再者，桥梁设计中，需要充分考虑到结构实现所采用的施工方法，对施工过程中结构的不利荷载状态需要有所把握，尤其采用新的施工方法时，精细化的结构局部分析更是有力的辅助。

局部分析是相对于结构整体计算而言的。局部分析方法可以分为实验方法以及计算方法两个大类，实践中，由于实验方法受到多重因素的影响，并且考虑到时间和经济效益，一般极少采用。计算方法主要是指采用大型通用有限元程序进行空间分析，随着计算机技术进步以及有限元分析软件建模功能以及后处理功能的增强，这种方法更容易被工程师们接受。

九堡大桥为杭州钱塘江上规划建设的10座大桥之一，是杭州市的市区桥梁，在方案阶段就以地标性建筑物的高标准为指导，要兼顾安全、经济、适用和美观的要求。经过多方面比选，主桥最终采用了具有外倾主拱以及空间曲线副拱造型的三跨连续组合拱桥方案[1-2]。大桥全长1 855 m，孔跨布置为：北引桥55 m+2×85 m+90 m，主航道桥3×210 m，南引桥90 m+9×85 m+55 m。其中主航道桥总体布置参见图1所示。施工中创新采用梁拱组合体系整体顶推施工方法。设计过程结合整体计算分析，对结构进行了多点局部空间计算分析，分析结果为设计以及施工的实现提供了有力的辅助。

1 复杂节点局部分析方法

1.1 局部分析需求

大型桥梁的局部分析需求主要来自于以下3个方面：复杂部位构件设计需求；有集中荷载作用的局部稳定性分析；与施工方法相关的局部分析。

桥梁结构中复杂部位一般指构件连接节点位置，这种位置由于受到来自于构件不同方向作用的内力，受力状况比较复杂，若不采用空间分析，很难对不同构件之间的内力分配关系做出判断。在九堡大桥中，拱梁节点就属于这种情况。如图2所示，拱梁节点处有5个主要构件相交，分别是主纵梁、拱肋、系杆和2根端横梁，节点处受力复杂，若不采用空间计算分析，难以判断各个构件的受力情况，因此，拱梁节点是设计过程中必须要进行精细分析的重点部位。

局部稳定性分析一般针对钢结构桥梁，钢结构板件多采用设置加劲肋来保证稳定性，加劲肋设置的多少以及所关注板件的厚度可采用局部稳定性分析的方式进行确定。在九堡大桥中，由于采用上部结构整体顶推施工，顶推过程支点作用在主纵梁底部，为确保施工过程不出现失稳破坏，对主纵梁支点范围腹板进行了局部稳定性分析，如图3所示。需要指出的是，在顶推施工过程中，主纵梁有多处经过顶推支撑点，在进行局部分析前，需要在结构整体计算中模拟顶推的整个过程，分析顶推过程中主纵梁最不利支撑点受力状态。

图1 九堡大桥主桥总体布置图（单位：m）

图2 拱梁节点位置及空间模型

图3 施工过程局部稳定性分析位置及空间模型

与施工方法相关的局部分析在九堡大桥的设计中体现得最为明显。由于施工过程会出现施工临时荷载，同时整个桥梁受力体系还没有完全建立的情况下，最不利受力状态有可能出现在施工过程中。为确定施工方法的可行性，需要对施工阶段中出现的不利状态进行计算分析。如图4所示，九堡大桥在顶推过程中，在拱和梁之间设置临时撑杆以保证拱梁顶推过程整体受力及稳定性，撑杆节点处会出现撑杆轴压力、支座反力、剪力均最大的情况，因此要对该工况下主纵梁节点进行局部应力分析。施工措施中还采用了导梁以避免主结构出现大悬臂状态，为确保主结构的安全，设计中对导梁与拱梁节点相交位置进行了局部应力分析。

图4 施工过程局部应力分析位置及导梁连接点空间模型

图2～图4仅列出九堡大桥部分节点位置作为说明，九堡大桥根据局部分析需求而确定的其他分析部位参见表1所示。

表1 九堡大桥局部分析部位

1.2 局部分析步骤

桥梁结构局部分析之前，应做好结构整体分析，为确定局部分析范围及边界条件做好准备。进行局部分析应该遵循如下步骤，并以拱梁节点的应力分析为例进行说明：

（1）建立几何模型。几何模型建立可根据所采用分析工具灵活选择，九堡大桥局部分析采用大型通用有限元软件Ansys进行建模分析，模型建立时可借助于Autocad三维建模功能。建模时灵活运用布尔运算会起到事半功倍的效果。建模基本过程如图5所示。

图5 拱梁节点边界条件

（2）确定模型范围内的边界条件，其中包括荷载加载位置，约束位置及形式。九堡大桥拱梁节点的边界条件处理参见表2及图5所示。

模型中选取支座作用范围为1 800 mm×1 800 mm，对此范围内节点的UX、UY、UZ三个方向的自由度进行约束。两根横梁端部由于距离节点较远，可进行约束处理，基本不会影响结果精度。

（3）在总体模型中进行荷载取值，取值点应为局部分析模型与总体模型相对应点。要做到精确，在局部建模时，要根据整体模型中单元节点位置来确定局部模型的建模范围。

表2 拱梁节点模型构成

（4）荷载校对。将加好约束以及荷载的局部模型进行计算，取约束内力与总体模型相应位置内力进行对比，以确定加载正确。九堡大桥拱梁节点模型取在活动支座端，用支座反力与Midas计算结果进行对比来判断模型受力是否合理。在理想状态下，模型支座竖向反力接近Midas整体计算结果，同时，其他方向反力接近于0。

（5）进行计算及荷载组合，其中荷载组合可以在总体模型中完成，提取组合之后的边界力加于局部模型，亦可在总体模型中取单项荷载，在局部分析模型计算结果中进行组合。九堡大桥局部分析中采用了在局部分析计算结果中进行组合的方式，以拱梁节点分析为例，表3列出了进行应力分析的荷载单项及组合方式。

1.3 局部分析的结果分析

局部分析结果尽量以图的形式呈现，具有直观易懂的特点。对局部分析计算所得结果结合材料性能指标以及设计技术标准进行判断，对不合理之处找出原因及时调整，最终获得可用结果。结合工程实践，本文对局部分析中容易出现的问题进行分析总结，在下一节进行了阐述。本节针对九堡大桥局部分析的主要内容，有选择性地列出部分分析结果，参见表4所示。

表3 拱梁节点计算工况及组合

全桥局部分析位置众多，工况也众多，在此仅说明性地列出了几种有代表性的示例，另外，结果分析时可以取其中任意板件单独进行应力查看，在此不再赘述。

2 局部分析应注意的问题

（1）局部计算往往涉及模型及工况众多，需要统一编号，便于区分。九堡大桥局部分析计算模型多达10个，在比较计算分析过程中，采用精细化的分析，模拟顶推施工过程，再加上设计过程的调整，验算工况总计有上百种之多，若不能做好文件命名规划，容易出现错误。

（2）注意总体计算采用软件对单元内力方向的约定与局部分析用软件对单元内力方向的约定之间的区别。各个有限元软件都有对单元坐标方向的约定，由于结构整体分析与局部分析所采用软件往往不同，应该注意区分，防止内力加错方向。

（3）由于局部分析采用了空间模型，计算分析代价都较高，应该在总体计算模型中做好定性判断，尽可能减少需要进行局部分析的工况数量。

（4）局部分析模型尺寸选择应该注意边界条件局部影响范围，同时要注意尺寸范围内边界条件的简化。以九堡大桥拱梁节点为例（见图2），若将主拱模型范围扩大，将会涉及到一根吊杆，这无疑会增加边界条件的复杂性。

（5）注意局部分析模型范围内荷载的完整性。仍旧以九堡大桥拱梁节点为例（见图2），其中涉及到的荷载包括2根横梁内力，支座反力，主纵梁内力，主拱内力，副拱内力，桥面板重量，节点板件自重以及系杆拉力，若忽略了其中任何一个，都会影响模型分析的准确性。

表4 代表性局部分析结果及分析

3 结语

本文总结阐述了设计工作中的桥梁局部分析方法，并以杭州九堡大桥局部分析为例进行了算例说明。对局部分析从分析需求、分析步骤以及需要注意的问题等几个方面进行了总结。从九堡大桥设计实践过程中可以看到，局部分析作为桥梁结构设计的有力工具，尤其在一些具有造型需求的结构设计以及采用创新性施工方法探索过程中，能够协助设计人员做出明确的判断，对桥梁结构设计起到了不可或缺的重要作用。

[1]邵长宇.九堡大桥组合结构桥梁的技术构思与特色[J].桥梁建设，2009(6):42－45.

[2]张春雷.九堡大桥主航道桥副拱设计与制造特点[J].城市道桥与防洪，2010(10):78-82.