某上承式梁拱组合桥梁复杂节点局部分析

罗 玮 陶诗君 陈文明

(中交公路规划设计院有限公司，北京 100088)

某上承式梁拱组合桥梁复杂节点局部分析

罗 玮 陶诗君 陈文明

(中交公路规划设计院有限公司，北京 100088)

介绍了局部分析方法在桥梁设计中的应用，并对某上承式梁拱组合桥梁进行了局部分析，结果表明钢结构的受力均满足规范要求，结构设计合理可靠，可为类似工程结构设计提供参考。

钢桥，梁拱组合桥梁，局部分析

0 引言

大型桥梁，在当下社会的实际应用过程中，已经逐渐成为城市内的标志性建筑，这些桥梁除了需要满足相应的功能特性以外，在实际设计过程中更需要有美学上突出的造型设计，在桥梁整体结构上实现造型多样化。随着我国科学技术的不断发展，新材料、新技术不断应用于我国的各个行业，为不同建筑的发展与应用实现了结构与功能上进行创新的可能，更对我国建筑行业提出了更加严格的要求，因此，在我国建筑行业的发展过程中，需要针对不同材料的功用特性对设计过程进行更加精确的计算与分析。

局部分析法指的是在整体结构中进行精细化的局部分析，这种方法在实际应用中分为计算法与实验法，在具体的操作过程中，实验法往往会受到很多因素的影响，致使分析结果不够精确或者无法进行分析，因此，在实际应用的过程中，通常采用计算法进行局部分析，这种算法采用大型的通用有限元程序，这些程序拥有高度的信息化，计算能力较强，例如ANSYS，ABAQUS，ATENA等[1,2]。

本文采用大型有限元分析软件ANSYS，针对某上承式梁拱组合桥梁，对设计计算中的关键部位(拱脚、主梁节段)进行了局部精细化计算分析。

1 工程概况

在实际工程设计过程中，主桥为上承式梁拱组合桥梁，桥跨设计长度为50+160+50=260 m。桥梁的上部结构采用三跨连续结构体系与双幅分离的体系，这一钢材结构为桥梁主梁与桥梁拱面组合整体承载。桥梁下部结构采用钻孔桩作为施工基础，整个桩体为混凝土结构。

上部结构与下部结构之间采用竖向支座相连，单幅桥约束主3号墩两个支座的纵桥向位移，及每个墩的内侧支座的横桥向位移。为防止过渡墩支座出现脱空，过渡墩支座采用拉压球型支座。同时，为了改善结构的抗震性能，主桥设置了减震措施，采用了粘滞阻尼器。

全桥总体布置如图 1所示。

2 桥梁结构局部分析建模

2.1 局部分析法

在进行桥梁结构的局部分析之前，需要对桥梁整体结构进行计算与分析，以此确保分析的准确性与有效范围，为之后进行的边界条件确定提供准备。具体的局部分析实施步骤如下：

1)需要建立全桥静力计算模型。2)需要确定模型范围内的边界条件，这些条件包括荷载加载位置，约束位置及形式。利用圣维南原理，确定边界条件的影响范围，进而确定局部分析模型的建模范围。3)需要在总体模型中提取边界杆件内力值，提取的值点应为局部分析模型与桥梁总体模型相对应点(荷载组合在设计时可以在总体模型中完成)将提取的组合内力作为边界条件施加于局部模型中。4)进行荷载校对时，需要对局部模型进行准确的计算分析，再取约束内力与总体模型相应位置处的杆件内力进行分析对比，以确定模型边界及荷载取值的正确性。5)计算局部模型在各种荷载工况下的受力情形，分析结构设计的安全性与合理性。

2.2 材料性能及参数

上部主体结构中，板厚40 mm的钢板采用Q390D钢，其他板厚的钢板均采用Q345D钢。容许应力是钢材的名义屈服点除以安全系数，通常该安全系数取1.7，在局部分析中，考虑组合应力结果，钢材容许应力尚应取1.1的提高系数,材料参数如表1所示。

表 1 材料参数

在考虑多种荷载共同作用时，钢材容许还应考虑表2所示的容许应力提高系数。

表2 容许应力的提高系数[3]

2.3 计算荷载

全桥整体计算模型主要考虑恒载、活载、温度荷载、温度梯度荷载、风荷载以及支座变位等，并提取边界杆件在最不利荷载工况下的内力值作为边界约束，局部模型中主要考虑结构自重以及汽车荷载。汽车荷载按公路—Ⅰ级[4]和城―A级[5]车辆荷载计算，取两者结果的包络值，人群荷载按3.5 kN/m2计入。

3 结果分析

根据2.1节所述局部分析方法，采用有限元软件 ANSYS分别建立拱脚、主梁节段的局部分析计算模型，如图2，图3所示。田安大桥为全钢结构，模型中主梁、拱肋、立柱以及横撑均按照实际截面尺寸大小，采用空间壳单元模拟，车辆荷载作用于钢桥面板上。

3.1 拱脚局部模型分析

拱脚局部模型计算结果表明，整体mises应力最大值为283 MPa(见图4)，位于拱脚底板处，满足容许应力限值要求。竖杆应力最大值出现在竖杆与拱肋连接处，局部有应力集中，最大应力峰值为168 MPa；横梁整体应力值较小，最大为72.6 MPa。

3.2 主梁节段局部模型分析

主梁节段局部模型计算结果表明，整体mises应力最大值为279 MPa(见图5)，位于主梁腹板处，满足容许应力限值要求。主梁顶板在车辆荷载作用处有应力集中现象，最大应力值为102 MPa；主梁底板及腹板应力值较大，最大值分别为236 MPa，279 MPa；竖杆在与顶底板的连接处应力值较大，约为172 MPa，均能满足规范要求。

4 结语

本文以田安大桥的局部结构分析为例，总结性的阐述了桥梁局部分析法在桥梁设计工作中的应用情况，通过对分析事例的了解与探究，局部分析法作为一种行之有效的桥梁结构设计方法，在进行一些具有特殊造型要求的结构设计过程中可以发挥出极为可靠的效果，能够在很大程度上帮助设计者做出准确的判断，对我国整体桥梁结构设计起到了重要作用。针对某上承式梁拱组合桥梁关键部位(拱脚、主梁节段)，进行了局部精细化计算分析，分析结果表明，拱脚局部模型、过渡墩压重区局部模型以及主梁节段模型受力验算满足规范要求，可见本桥梁设计合理可靠，满足相关工程技术的要求，可为类似工程结构设计提供参考。

[1] 龚曙光，谢桂兰.ANSYS操作命令与参数化编程[M].北京：机械工业出版社,2004.

[2] 庄 茁.基于ABAQUS的有限元分析和应用[M].北京：清华大学出版社,2009.

[3] JTJ 025—86，公路桥涵钢结构及木结构设计规范[S].

[4] JTG D60—2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[5] GJJ 11—2011，城市桥梁设计规范[S].

On local analysis of complicated nodes on some top bearing beam-arch composite bridge

Luo Wei Tao Shijun Chen Wenming

(CCCCRoadPlanningandDesignInstituteCo.,Ltd,Beijing100088,China)

The paper introduces the application of the local analysis method in the bridge design, undertakes the local analysis of the top bearing beam-arch composite bridge, and proves the result that the stress of the steel structure meet the demands of the regulation with reasonable and reliable structural design, so as to provide some reference for similar engineering structural design.

steel bridge, beam-arch composite bridge, local analysis

2015-03-26

罗 玮(1982- )，男，硕士，工程师

1009-6825(2015)16-0183-02

U448.216

A