节点连接刚度对钢桁梁拱桥受力性能影响分析

姚 莉

1 背景

广东某特大桥主跨111 m+2×220 m+111 m，主桁采用焊接整体节点，最大节点板焊56 mm，弦杆及拱肋在节点外四面拼接，腹杆与节点大多采用插入式连接，主桁杆件与节点之间采用M30高强螺栓连接，箱形杆件下水平板需设置手孔，手孔位于拼接缝中心处，宽300 mm，箱形吊杆与主桁节点采用四面对接的方式连接。节点刚接指节点完全不转动，节点不但能承担剪力、轴力，还具有足够抗弯刚度，在弯矩作用下变形很小。而节点铰接则指节点能够承担剪力和轴力，但不能承担弯矩。考虑到节点实际设计及施工方案，节点的刚度可能介于两者之间，形成半刚性节点，因此分析节点连接刚度对桥梁受力性能影响具有重要意义。

2 模型建立

考虑到结构的连接形式，在施工过程中，杆件的连接刚度是介于刚性连接及铰接两者之间，为了分析结构受力的安全性，对杆件的连接刚度从两个方面进行分析:

1)分析杆件刚接对结构受力性能的影响时，全桥杆件采用刚性连接;

2)分析节点铰接对结构受力性能的影响时，主桁截面采用刚性连接，释放腹杆、横梁、横肋、横联和平联杆件杆端约束，具体见图1。

图1 全桥模型

3 结果分析

3.1 边跨施工完成阶段

1)位移结果分析。

边跨施工完成阶段结构在自重作用下最大变形值见表1，图2，图3。从表1可知，在节点刚接和铰接两种情况下，纵桥向最大位移比值相差0.8%，竖向最大位移比值相差3.2%。

表1 边跨施工完成阶段结构最大变形值

2)应力结果分析。

结构在自重作用下的应力情况见图4，图5。由图4，图5可见，当结构刚接时，杆件最大应力为165 MPa，当结构铰接时，最大应力为 163.5 MPa。

对边跨施工完成工况在自重作用下各方向变形值和梁单元最大应力值分析可见:当节点在刚接及铰接两种情况下，纵向及竖向两个方向结构变形变化值相差很小，变形相差最大为竖向约3.2%;梁单元的最大应力变化相差很小为0.9%。

图2 节点刚接结构的挠度（一）（单位:mm）

图3 节点铰接结构的挠度（一）（单位:mm）

图4 节点刚接梁单元应力图（一）（单位:MPa）

图5 节点铰接梁单元应力图（一）（单位:MPa）

3.2 中跨施工完成阶段

1)位移结果分析。

中跨施工完成阶段结构在自重作用下最大变形值见表2，图6，图7。从表2可知，在节点刚接和铰接两种情况下，纵桥向最大位移比值相差0.8%，竖向最大位移比值相差1.5%。

表2 中跨施工完成阶段结构最大变形值

2)应力结果分析。

结构在自重作用下的应力情况见图8，图9。由图8，图9可见，当结构刚接时，杆件最大应力为216 MPa，当结构铰接时，最大应力为220 MPa。

对中跨施工完成工况在自重作用下各方向变形值和梁单元最大应力值分析可见:当节点在刚接及铰接两种情况下，纵向及竖向两个方向结构变形变化值相差很小，变形相差最大为竖向约1.5%;梁单元的最大应力变化相差很小为1.5%。

图6 节点刚接结构的挠度（二）（单位:mm）

图7 节点铰接结构的挠度（二）（单位:mm）

图8 节点刚接梁单元应力图（二）（单位:MPa）

图9 节点铰接梁单元应力图（二）（单位:MPa）

3.3 成桥阶段

1)位移结果分析。

成桥阶段结构在自重作用下最大变形值见表3，图10，图11。从表3可知，在节点刚接和铰接两种情况下，纵桥向最大位移比值相差6.6%，竖向最大位移比值相差15.9%。

表3 成桥阶段结构最大变形值

图10 节点刚接结构的挠度（三）（单位:mm）

2)应力结果分析。

结构在自重和风荷载作用下的应力情况见图12，图13。由图12，图13可见，当结构刚接时，杆件最大应力为119 MPa，当结构铰接时，最大应力为109 MPa。

图11 节点铰接结构的挠度（三）（单位:mm）

图12 节点刚接梁单元应力图（三）（单位:MPa）

图13 节点铰接梁单元应力图（三）（单位:MPa）

对成桥工况在自重作用下各方向变形值和梁单元最大应力值分析可见:当节点在刚接及铰接两种情况下，纵向及竖向两个方向结构变形变化值相差很小，变形相差最大为竖向约15.9%;梁单元的最大应力变化相差很小为8.3%。

4 结语

本文利用有限元软件建立了某钢桁拱桥模型，采用“释放梁单元约束”技术分别研究了节点刚接和铰接时结构受力性能的变化规律。

分析发现:在边跨和中跨施工过程中，节点连接刚度对沿桥方向和竖向位移影响较小;节点连接刚度对梁单元最大应力影响均较小;在成桥之后，节点连接刚度对结构竖向位移及沿桥纵向影响显著，分别为15.9%及6.6%，对梁单元最大应力亦有一定影响，梁单元的最大应力变化达到8.3%。

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