大跨径中承式钢拱桥索拱及索梁连接构造设计及局部受力分析

李科 王琪 郑爱华

摘要：吊杆拱桥的索拱、索梁锚固区是整个桥梁荷载传递体系的关键节点，构造复杂且力学性能要求高，文章以一座大跨径中承式吊杆钢桁架拱桥为研究对象，对该桥索拱、索梁锚固构造进行了局部精细化有限元计算分析。计算结果显示，该部分构造设计满足规范要求，且有一定的安全储备。

[作者简介]李科（1989—），男，硕士，工程师，主要从事大跨度桥梁及复杂景观桥梁设计工作;王琪（1983—），男，本科，高级工程师，主要从事市政工程设计管理工作;郑爱华（1977—），男，本科，高级工程师，主要从事复杂结构的景观桥梁、大跨度桥梁设计工作。

对于中、下承式拱桥，吊杆是将桥面荷载传递给拱肋的主要构件。吊索-主梁节点以及吊索-拱肋节点的构造复杂且力学性能要求高，是设计时需要重点考虑和分析的对象，结合具体工程的特点存在有若干种做法：有采用钢锚箱形式[5、8]、销铰耳板形式[7]、齿块锚固[11]、锚拉板形式、钢锚管形式等。其中，李若思等[13]研究了钢锚箱和吊耳形式在同一个工程中受力的优缺点;易达等[9]研究了竖直吊耳和斜吊耳的对拱內构造和受力的影响，具有参考价值。

1 工程概况

天保湾大桥位于成都市天府新区直管区沈阳路西段，横跨锦江。主桥长230 m，为一孔中承式钢桁架两铰拱桥（图1），桥面布置形式为： 3.5 m人行道+3.5 m辅道+0.25 m栏杆+2.5 m拱肋保护区+0.5 m隔离带+11.25 m机动车道+0.5 m中央隔离护栏+11.25 m机动车道+0.5 m隔离带+2.5 m拱肋保护区+0.25 m栏杆+3.5 m辅道+3.5 m人行道=43.5 m。

全桥横桥向设置两片拱肋。拱肋上弦杆轴线采用二次抛物线，计算跨径L1=216 m，计算矢高f1=35 m，矢跨比f1/L1=1/6.17;拱肋下弦杆轴线采用二次抛物线，计算跨径L2=216 m，计算矢高f2=49 m，矢跨比f2/L2=1/4.41。主拱上弦杆末端伸入桥头堡预埋横向限位装置，下弦杆拱脚处采用铸钢铰与拱座预埋件连接。

钢加劲梁采用双箱单室形式，箱体宽2 m，中心梁高2.801 m，两箱之间设置纵桥向间距3 m 的工字钢横梁，梁高2.674～3 m。桥面采用正交异性板钢桥面板。全桥共设置16对吊杆，拱上吊杆间距12 m，除端部短吊杆采用刚性吊杆外，其余均为柔性吊杆。

2 索拱、索梁构造设计

2.1 索拱构造

以天保湾大桥拱上E1节点（拱顶位置）为例，吊耳（N1）呈90°与拱上横隔板正交，插入拱肋，耳板（N1）设置两块平行于拱肋横隔板的八边形加劲板（N2），同时平行于耳板设置两块承拉板（N3）（图2、图3）。

2.2 索梁构造

以天保湾大桥梁上E1节点为例，吊耳（N1）呈90°与梁体横隔板正交，嵌入梁体，耳板（N1）设置两块平行于梁肋横隔板的八边形加劲板（N2），同时平行于耳板设置两块承拉板（N3）（图4、图5）。

3 计算分析

3.1 荷载

应力边界条件由整体计算所得的荷载决定， 边界力采用刚性耦合面节点力施加。通过Midas/Civil 2017有限元软件建立主桥整体模型，获得承载能力极限状态下拱梁及索梁位置的吊杆力（表1）。

3.2 有限元模型

本文进行梁上及拱上锚点局部应力分析[1-4]时，索梁、索拱锚固区[9-10]局部受力情况，参照圣维南原理[7]计算梁段长度，且应保证锚点附近范围内的腹板应力受边界条件影响较小，因此取2倍梁高范围[6]。

铁路与公路李科， 王琪， 郑爱华： 大跨径中承式钢拱桥索拱及索梁连接构造设计及局部受力分析研究由于吊杆锚固区构件多，空间位置关系复杂，建模工作量大，所以本文采用Solidworks建立三维模型，采用ANSYS的APDL参数化设计语言提高建模效率，便于修改和调整模型。钢板采用Shell63壳单元模拟。吊耳加载点采用Mass21质量单元模拟。

3.3 局部应力分析

3.3.1 索拱模型应力分析

建立有限元模型见图6。

加载节点吊杆力后的结果如图7所示。

从图7可以看出应力传递趋势为通过耳板（N1），将索力传递到主拱下弦杆底板和横隔板，然后将力扩散至全拱，主拱下弦杆底板承受面外应力，横隔板承受面内拉应力为主。横隔板局部最大应力182 MPa。耳板应力70.1 MPa，N2板件68 MPa，N3板件87 MPa，底板144 MPa，横隔板123 MPa。

3.3.2 索梁模型应力分析

从拱上应力状态可知，加劲肋对此类节点模型应力水平影响不大，因此为简化计算，梁上有限元模型建模时不考虑加劲肋影响。

建立有限元模型如图8所示。

加载节点吊杆力后的结果如图9所示。

从上图可以看出应力传递趋势为：主桥桥面承受的荷载通过横隔板传递到耳板，主梁顶底板承受面外应力，横隔板承受面内拉应力为主。横隔板局部最大应力189 MPa。耳板应力90.7 MPa，N2板件88 MPa，N3板件88.7 MPa，顶板157 MPa，横隔板120 MPa。

4 结论

（1）索拱连接部位最大应力不超过182 MPa，索梁连接部位最大应力不超过189 MPa，均出现在横隔板，说明该板件为重要直接传力结构，设计中应该注重该位置强度。

（2）主梁索梁连接的传力途径为：主桥桥面承受的荷载通过横隔板传递到耳板，主梁顶底板承受面外应力，横隔板承受面内拉应力为主。

主拱索拱连接的传力途径为： 应力传递趋势为通过耳板，将索力传递到主拱下弦杆底板和横隔板，然后将力扩散至全拱，主拱下弦杆底板承受面外应力，横隔板承受面内拉应力为主。

（3）索梁、索拱构造的横隔板的厚度对局部应力控制起到了直接作用，加强与吊耳连接横隔板的构造是有效的，对后续同类桥梁设计起到参考意义。

参考文献

[1] 程玉芹， 王朝， 刘昆. A形吊耳强度有限元分析[C]// 达索系统2013 SIMULIA中国区用户大会. 2013.

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[13] 李若思. 钢箱提篮拱桥使用阶段的详细应力分析及地震响应分析[D]. 成都：西南交通大学， 2018.