下承式钢混组合梁系杆拱桥锚固结构受力分析

2019-05-13孔令熙

城市道桥与防洪 2019年4期

孔令熙

（上海浦东建筑设计研究院有限公司，上海市 201204）

0 引言

系杆拱桥主要是由拱肋、系梁（系杆）、吊杆、横梁及桥面系组成。系杆拱的系梁与拱肋在拱脚节点处刚接，支承于墩台上。其中，拱肋是系杆拱桥的主要承重构件，以受压为主。吊杆是系杆拱桥的重要传力构件，主要承受拉力。体系中设置系梁来平衡拱脚处对地基产生的水平推力，因此具有跨越能力大、梁高较低、外型美观等优点。

节点是结构体系的重要组成部分，需在设计中重点考虑其细部结构，它的强度和刚度直接影响全桥受力情况，所以节点对于保证结构的整体性也有着举足轻重的作用。系杆拱桥作为空间结构体系，采用常规的计算方法建立梁、杆结构模型，求得整体结构的内力、应力、变形等，这种以杆系理论为基础的方法在对结构进行整体分析时是合适的。但在局部节点处，常常设有横隔板、加劲肋等板件，导致局部构造较为复杂，而在整体分析中很难考虑到构造的细节之处，计算结构并不能精确分析节点处的应力情况。因此需在整体分析计算的结果基础上，选择具有代表性的节点，进行局部空间有限元分析，研究节点的受力情况。

系杆拱桥受力较为明确，对于节点来说，需有足够的强度和刚度。吊杆与系梁的锚固是系杆拱桥传力的关键部位之一，有必要对其进行局部分析从而为细部构造的设计提供依据。

1 工程背景

申江南路大治河桥主桥采用简支下承式钢箱系杆拱组合体系拱桥，计算跨径116 m，拱肋采用全焊钢箱构造，拱轴线为二次抛物线，主拱矢跨比为1/5，拱肋高23 m，平行拱肋横桥向间距为26.2 m，吊杆顺桥向间距为6 m。

其中，系梁、中横梁、悬臂板、端横梁均采用钢混组合结构。系梁与拱肋均为矩形闭口断面。系梁在吊杆位置处设置加强型实腹式横隔板，吊杆间每隔3 m设置普通实腹式横隔板。拱肋系杆采用øs15.2-31环氧涂层钢绞线，每个系梁内设4根，以平衡拱肋的水平推力。吊杆采用PES（FD）平行钢丝PE双护层拉索。吊杆一般位置设置规格为ø7-91的成品索，靠近拱脚的两根短吊杆采用ø7-109的成品索，吊杆外包双层HDPE保护层，抗拉强度1 670 MPa，上端锚固在拱肋内，下端锚固在系梁内，锚具采用冷铸锚，拱肋内张拉，每片拱肋设置17根吊杆。

大治河为通航河道，根据航道部门要求，通航净宽79 m范围内必须满足通航净高7.0 m的要求。由于是在现状通航水域上建桥，为保证施工过程安全可靠，保证钢梁的施工焊接质量，因此采用水中设临时墩、先梁后拱的施工方法。

2 吊杆与系梁的锚固结构

吊杆与系梁之间的锚固连接是系杆拱桥设计的关键问题之一，由于吊杆张拉后，系梁锚固区局部应力较大、应力传递复杂，需将吊杆传递的索力扩散到系梁截面上去。其传力途径为吊杆→锚垫板→承压板→系梁隔板→隔板加劲板→系梁顶、底、腹板。该桥吊杆与系梁锚固结构布置如图1～图3所示。

图1 吊杆与系梁锚固区横断面（单位：mm）

图2 吊杆与系梁锚固区平面（单位：mm）

图3 吊杆与系梁锚固区剖面（单位：mm）

其中的主要板件如下：D1a与D1b为承压板上隔板，板件厚25 mm；D2为承压板下隔板，板件厚25 mm；D3、D6为下隔板加劲，板厚20 mm；D4为承压板，板厚25 mm；D5a与 D5b、D7a与D7b为上隔板加劲，板厚20 mm；D8为矩形锚垫板，板厚50 mm；M1为锚管，与系梁顶板、系梁上隔板、承压板焊接，板厚28 mm；M2为锚管加劲，设置4道锚管加劲，板厚20 mm。

由于系梁结构较为复杂，锚固区板件既有局部受压也有局部受拉还有拉压共同作用的情况，结构受力复杂，呈三向状态，应力集中严重。因此有必要对吊杆与系梁锚固区在不利工况下的应力分布、应力大小等局部应力状态进行分析。

3 局部模型与计算结果

先采用midas建立整体模型，根据桥梁的整体计算结果，选取吊杆与系梁锚固区受力最不利的阶段及位置，即靠近梁拱结合段处拱脚第一根吊杆处，对其进行局部分析。为准确分析系梁局部的受力状态，根据圣维南原理，考虑边界效应使得局部模型的计算结果并不受到选取区域范围太小而影响，故选取系梁节段6 m长作为研究对象，即吊杆两侧各3 m设置普通实腹式横隔板之间距离。采用板单元建立系梁顶板、底板、腹板、横隔板、加劲肋，并在划分网格时，将关心区域的网格尺寸划分得更细些，如图4、图5所示。

图4 局部模型

图5 局部模型不含系梁顶、底、腹板

系梁局部模型所受荷载包括结构自重、桥面板荷载以及吊杆张拉力。而边界条件可根据全桥分析结果得到，然后按静力等效原则施加于系梁的各边界处；结构自重和桥面板荷载则根据实际情况进行施加。

从计算结果来看，锚固区各板件的应力水平不高，与规范容许应力值相比有一定的安全储备，如图6、图7所示。

图6 锚固区板件应力结果（单位：MPa）

图7 锚固区应力结果（单位：MPa）

其中，最大应力为95.5 MPa，出现在锚垫板D8中心位置，如图8所示。而隔板D1与承压板D4处局部应力较大，但亦满足，且区域小，应力扩散快。

图8 锚垫板应力结果（单位：MPa）

系梁顶底板整体应力水平很低，有效应力值主要在40 MPa以下，如图9所示。

图9 系梁顶、底板应力结果（单位：MPa）

腹板应力分布均匀，应力水平相当、分布相似。腹板大部分区域有效应力值在30 MPa以下，应力水平较低。最大有效应力出现在腹板与底板连接处，应力值为37.4 MPa，如图10所示。

图10 系梁腹板应力结果（单位：MPa）

通过建立系梁的局部有限元模型，可得各板件的应力水平不高。对于钢结构来说，通常采用板单元即可求得板件的受力情况。但如果只建立独立模型分析锚固区的受力情况，则对局部模型施加精确的边界条件变得非常关键，如果施加不当则可能对计算结果造成影响甚至错误。

4 混合有限元模型

为了进一步探究计算结果的准确与否，考虑采用整体模型与局部模型混合的形式。建立全桥模型后，对关心部位的吊杆与系梁锚固区采用板单元插入其中，在板单元和梁单元交界面上按平截面假定建立约束方程，即把吊杆与系梁锚固区建立在同一个混合有限元模型中。那么在模型中施加荷载、边界则变得较为简便，而活载情况则追踪吊杆受力最大的工况下的移动影响线来布载。混合有限元模型如图11所示。