反向芬克式桁架桥浅析

摘要：文章以杭州境内某反向芬克式桁架人行桥为背景，运用ANSYS 、midas等软件建立有限元模型，对桥梁的下部结构及重要节点部位进行分析对比。

关键词：反向芬克;ANSYS;桥梁

1、项目概况

本桥为杭州境内人行桥，桥梁上部结构形式为反向芬克式桁架结构，跨径布置（15.9+150+15.9）m，采用等宽设计，全跨净宽7m。桥头与地面之间采用人行台阶连接，东岸人行台阶布置于主桥、南侧，北侧设置自动扶梯，西岸人行台阶呈喇叭形直接与地面连接，中间设置自动扶梯，扶梯考虑无障碍通行要求与景观协调，在边塔附近设置垂直电梯。

反向芬克式桁架是张拉整体结构在桥梁工程中的一种形式，它是由一系列张力索和受压杆组成，并通过张拉预应力形成的新型索承桥梁结构体系。反向芬克式桁架具有结构高效新颖和造型简洁轻巧的突出优点，在中等跨径城市人行桥梁上的应用具有广大前景。这种结构充分发挥拉索的高强抗拉性能，加上新颖的造型与巧妙的形态变化，引起了广泛关注。

2、桥梁关键部位细部分析

2.1 边支点索梁锚固区耳板细部分析

2.1.1 计算模型

由于边支点位置存在拉杆，故对于边支点位置处的耳板以及局部位置进行分析，明确边支点位置处结构应力状况，同时，边跨主梁也是本次分析的重点，故也将边跨主梁建立出来，施加对应荷载进行分析。采用ANSYS 2021版本建模，为减小施加荷载位置的应力集中现象和邊界条件的过度约束，在边支点节点的基础上，将边纵梁建立出来。选取的节段长度如图2-1所示。

采用Shell181单元对结构进行网格划分，其中耳板部分采用solid185实体单元进行分析，网格尺寸75mm，耳板位置网格加密为30mm，边支点节点及主梁段共划分166699个节点，169667个单元，以四边形网格为主，部分复杂区段使用三角形单元过渡。

2.1.2 分析结果

由于结构为钢结构，且结构各方向受力复杂，按照正应力提取结果存在方向不准确的情况。故本次以Von-Mises应力和最大剪切应力来控制本节点的受力。

从图2-2可以看到，最大Von-Mises应力发生在耳板与钢箱梁底板的交界面处，由于这个位置网格较差，导致出现了应力集中，可以忽略此区域，临近位置应力最大200MPa，耳板上部位置应力最大为193.7MPa，小于规范容许值260MPa。其余区域应力水平较低。

从图2-3可以看到，钢箱梁节段上最大Von-Mises应力发生在耳板和顶板的交界面上，最大等效应力为156.85MPa，小于规范容许值270MPa。其余区域应力水平较低。最大剪切应力也发生在此位置，最大剪切应力值为90.198MPa，小于规范容许值155MPa，其余位置应力水平较低。

从图2-4可以看出，结构在横桥向应力水平较低，除在与耳板交接面上应力水平在99.334MPa，其余位置应力水平在45MPa以内。而钢箱梁在顺桥向除在于耳板交接面上应力水平在100.51MPa左右，其余位置应力水平在60MPa以内，应力水平较低，钢箱梁受力较好。

2.2 桥梁主墩强度验算

2.2.1 计算模型

本桥支座尺寸较大，根据桥梁规范拉压杆模型分析方法无法精确验算实体式桥墩局部应力。主墩拟定了两种形式进行分析比较，一种是直立式实体墩，一种是花瓶墩。采用软件MIDAS FEA3.7软件建立实体有限元模型，对结构进行实体仿真分析计算，其有限元模型见下图。

主墩支座采用抗震球型支座，支座尺寸按1.22x1.22m设计，单个支座反力按17500KN计算。

2.2.2. 计算结果

由上图可知，直立式实体墩凹槽处最大拉应力为1.56MPa，花瓶墩凹槽处最大拉应力为5.67MPa， C40混凝土轴心抗拉强度设计值1.65MPa，因此花瓶墩最大拉应力不满足规范要求，最终方案选择直立式实体桥墩。

3、结束语

随着社会的发展，人们对城市桥梁建设的要求越来越高，更加注重桥梁造型。文中介绍的反向芬克式桁架桥是目前比较新颖的桥型，相关案例也比较少，可为同类桥梁的设计提供参考。

简介：

吴硕（1988—），男，汉，浙江杭州，桥梁设计师/工程师，本科，杭州市城乡建设设计研究院股份有限公司，研究方向桥梁。