成都新建五岔子大桥梁墩节点优化设计

2022-09-15郑爱华王美馨

城市道桥与防洪 2022年8期

郑爱华，赵彬，李科，王美馨

（1.四川西南交大土木工程设计有限公司，四川成都 610031；2.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031）

1 工程概况

成都新建五岔子大桥位于该市高新区南部园区，西自江滩公园起，跨越红星路南延线、府河、熊家桥路向东接入公济桥路。未来锦江将改造为旅游目的地，休闲人群通行需求大，因而对该桥的景观要求很高。2015年9月，四川省建筑设计研究院以“莫比乌斯环”为设计灵感的方案在全球方案征集中中标。该方案由两座桥组成为无穷大的符号，形成一个无限循环（见图1），以彰显五岔子大桥所在的高新片区无限上升的发展可能。四川西南交大土木工程设计有限公司据此方案完成了桥梁结构的施工图设计。

图1 桥位平面图

五岔子大桥采用钢结构，分两幅桥进行设计，上游桥为主桥，下游桥为副桥，主、副桥间通过连接通道相接。为确保与中标方案外观严格一致，结构各设计外轮廓曲线均通过样条曲线拟合而成，梁体宽度、高度变化较大。主桥第2联为4跨V型墩连续刚构桥，主桥桥型布置图见图2。

图2 主桥桥型布置图（单位：m）

2 Z4X1梁墩节点设计

本桥V型墩的两肢采用箱型截面，下端固结于承台顶面，上端与钢箱梁刚接，其梁墩节点构造异型、受力复杂。方案设计阶段Z4X1节点附近的断面图见图3（断面位置见图2）。经简单计算后发现，该节点局部区域应力偏大，应进一步优化设计以确保安全。

图3 节点主要断面图（单位：mm）

国内外已建成的混凝土斜腿刚构桥较多，其墩梁节点的板较厚，上下板件之间属于面传力，一般不存在局部失稳问题，还可以通过合理布置预应力钢筋来减小混凝土拉应力[1-2]。钢结构的墩梁节点尚不多见[3-4]。吴睿麒等[5]对某钢结构连续刚构桥V型墩局部进行了受力分析，计算显示该桥在斜腿顶部底板倒角处的各板件存在局部应力较大的现象，并就梁墩节点给出了增加斜腿截面加劲数量的设计建议。

笔者对梁墩节点各构件截面特征和力流传递规律进行分析后发现，本桥斜墩的断面形状扁平，其腹板（含加劲肋）在整个断面中所占比例仅为16.4%，而上部竖向荷载通过与梁体腹板对齐的斜墩腹板进行传递，显然是最直接的传力路径，这意味着梁墩腹板会有应力集中。为此，拟定了以下两套设计优化方案。

（1）方案A——为了降低必定集中的局部应力，设计中常用的一种做法就是增加板厚，即将图3（a）中的N1板厚调整为34 mm。

（2）方案B——主梁和斜墩局部区域增设两道厚24 mm次腹板（见图4中NF1和NF2），以便分担主腹板的荷载，同时减小主梁底板和斜墩翼缘板的区格尺寸，从而提高局部稳定性，并减小主梁顶底板剪力滞效应，主腹板N3板厚也可减至28 mm。

图4 方案B的D-D断面（单位:mm）

经核算，方案B比方案A在该节点增加不到2%的用钢量。

3 有限元计算结果及分析

3.1 有限元建模

本桥整体计算采用Midas/Civil完成。利用ANSYS建立了单元总数约3万个的板、梁混合单元局部模型。局部模型包含的范围如下：大跨方向边界为整体模型的永久荷载弯矩零点（图2 A-A断面），主梁V墩内侧边界（图2 B-B断面）距离节点区域超过1倍梁高，斜墩下端为固结状态。分析重点在于斜墩顶部的受力状态，故选取了墩顶（图2 C-C断面）最小弯矩和最大弯矩两个工况，从整体模型中提取这两个工况所对应的梁截面内力，作为外荷载施加到局部模型的梁端上，同时还考虑了作用于局部模型边界范围之内的恒载和活载。此外，考虑到局部模型基本对称于截面中心线，故仅建立了一半结构的有限元模型（见图5）。