大跨径钢桁梁斜拉桥节点受力分析

杜春林，史建朋（重庆市市政设计研究院，重庆 400020）



大跨径钢桁梁斜拉桥节点受力分析

杜春林，史建朋
（重庆市市政设计研究院，重庆 400020）

摘要：为研究白居寺长江大桥——钢桁梁斜拉桥关键节点的受力行为，该文用有限元方法对其受力行为进行分析。采用有限元软件建立节点局部模型，从整体计算分析结果中提取节点区域在最不利荷载作用下的内力，将其施加在节点局部模型中进行分析。结果表明：设计节点应力集中区域很小，其他区域应力均小于210MPa。

关键词：钢桁梁；斜拉桥；节点受力分析；有限元分析

0　引言

白居寺长江大桥系主跨为660m的公轨两用双塔双索面钢桁梁斜拉桥，桥型布置如图1所示。横断面采用轨道交通和道路交通上下分层形式布置，上层桥面按照双向8车道，两侧设置人行检修道设计，总宽度38m，下层桥面中央设置双线轨道，总宽19.2m（下弦杆外轮廓间宽度），如图2所示。桥塔采用水滴形钢筋混凝土结构，塔柱为八边形空心薄壁截面，外轮廓尺寸5.5～10.8m（纵桥向），5.8～13.4m（横桥向）。斜拉索采用Φ7.0 mm镀锌高强度低松弛平行钢丝，抗拉强度不小于1770MPa。

钢桁梁主桁采用三角形桁架形式，主桁中心距为18m（等间距布置），桁高12.606m，节间长度15m。上下层桥面板均采用正交异性钢桥面板，由桥面板纵肋、横梁及桥面板组成。桥面板和主桁弦杆顶板焊接在一起组成板桁组合结构。整个钢桁梁由上弦杆、下弦杆、腹杆、边纵梁、斜杆及桥面系组成，通过高强螺栓及节点板连接为整体。横断面如图1所示，为倒梯形断面。

图1　桥型布置图

其“连接节点”构造复杂是钢衔梁的关键构造。为保证桥梁结构安全、指导设计，对钢衔梁连接节点进行详细的受力分析是非常必要的。而在整体结构计算分析中，很难考虑构造细节，计算结果不足以反应节点的应力分布。因此，需要在整体计算分析的基础上，选择受力较大且具有代表性的主桁节点，对其网格细化后进行局部应力分析，研究其应力分布［1-2］。

本文采用有限元数值法对白居寺长江大桥关键节点的受力行为进行分析。

1　节点构造

节点位置见图2，节点构造图见图3。

图2　横断面及节点位置示意图（cm）

图3　节点1、3立面图（mm）

节点1位于上弦杆与两根斜腹杆及上层横梁的交点。节点2位于边纵梁与一根斜杆及上层横梁的交点。节点3位于下弦杆与两根斜腹杆、一根斜杆及下层横梁的交点，节点3有两类节点板：一类为连接下弦杆与斜腹杆的节点板（连腹杆）、一类为连接下弦杆与斜撑的节点板（连斜撑）。

上弦杆、下弦杆分别与相连的节点板焊为一体。腹杆与上、下弦整体节点板及节点内的隔板四面对拼连接。斜杆与边纵梁和下弦杆伸出的节点板均采用高强度螺栓拼接。

杆件断面形式：上弦杆、下弦杆、腹杆和边纵梁均为闭口箱形截面，斜杆为“工”型截面，上、下层横梁为倒T形截面。

表1　局部模型荷载表（kN，m）

2　节点分析

根据整体计算分析结果选择受力较大且具有代表性的主桁节点，采用通用的有限元软件建立节点局部模型进行分析。

全桥整体计算模型采用空间有限元分析程序进行模拟。对于弦杆、腹杆、斜杆、横梁、纵梁和桥塔等采用三维梁单元模拟，斜拉索采用桁架单元模拟，上下层桥面板采用板单元模拟。通过设置刚性杆件模拟桥塔与斜拉索之间的连接。各个构件截面特性按照结构实际尺寸进行取值。整体模型如图4所示。

图4　整体模型示意图

参照整体计算分析结果［3］，选择靠近主塔根部的节段为对象，分析节点受力性能。该节段节点不仅设计具有代表性，而且受力不利，其计算结果可以反映其他节点的受力性能。整体计算主梁杆件应力如图5所示。

图5　1/2跨主梁杆件应力示意图（MPa）

2.1局部模型

采用大型通用有限元软件对节段进行分析，对节点中的钢桥面板和各个杆件的板件均采用板壳单元模拟。以纵桥向中心线为对称轴建立1/2模型，在中心线位置施加正对称约束，约束一端头上下弦杆及桥面板的平动自由度，另一端施加荷载——从整体计算分析模型中提取的截面弯矩、轴力和剪力。荷载如表1所示。

为了降低局部模型边界对分析精度的影响，满足圣维南力学原理［4-5］，计算模型沿桥跨纵向按三个节段长度建模，横桥向取半幅桥面。整个有限元模型拥有单元389295个，节点379747个。节段三维有限元模型如图6所示。

图6　节段模型

2.2材料参数

各板件全部选用Q370钢材，容重γ=78.5kN/m；弹性模量E =2.1×106MPa。表2为各杆件的板厚。

表2　节点区域主要杆件材料表

为避免边界条件带来影响，截取中间段模型提取结果。节点局部分析模型Von Mises应力云图如图7-图9所示。

图7　节点1 Von Mises应力图（MPa）

图8　节点2 Von Mises应力图（MPa）

图9　节点3 Von Mises应力图（MPa）

由云图可知：节点1应力集中点（应力云图中MX的位置）位于腹杆端部和节点板交接点；节点2应力集中点位于节点板与边纵梁肋板相交开孔位置；节点3应力集中点位于节点板与斜杆翼缘端部交接点。从图中可以看出，各应力集中点区域很小，且应力幅衰减迅速，未向周边区域传递，故不予考虑。

扣除应力集中点区域，其他区域应力分布趋于均匀，应力结果如表3-表5所示。节点1最大应力构件为节点板及腹杆腹板，其最大mises应力分别为199MPa、190MPa；节点2最大应力构件为边纵梁顶板及节点板，其最大mises应力分别为202 MPa、198MPa；节点3最大应力构件为下弦杆底板及腹杆顶底板，其最大mises应力分别为210 MPa、208MPa。

3　结语

对于倒梯形钢桁梁斜拉桥这样复杂的桥梁，有必要在全桥整体计算分析的基础上，考虑节点的局部构造细节，对节点建立更精细的有限元模型，从而获得节点部位详细的应力分布。

针对白居寺长江大桥关键节点的计算结果表明：在最不利荷载工况下，钢桁梁各节点应力集中区域很小，且应力幅衰减迅速，未向周边区域传递，设计时可不考虑应力集中区域；其他区域Mises应力趋于均匀，且均小于210 MPa。

表3　节点1各杆件应力表（MPa）

表4　节点2各杆件应力表（MPa）

表5　节点3各杆件应力表（MPa）

参考文献：

［1］重庆交通科研设计院，JTG/T D65-01-2007公路斜拉桥设计细则［S］.北京：人民交通出版社，2007：16.

［2］靳飞.京沪高速南京大胜关长江大桥节点受力性能研究［D］.长沙：中南大学，2007：9.

［3］重庆市市政设计研究院.重庆白居寺长江大桥总体计算分析报告［R］.重庆：重庆市市政设计研究院，2016：33-34.

［4］方志.上海闵浦二桥钢桁梁节点的应力分析［J］.交通科技，2009（4）：4-6.

［5］田平虎，李闻涛.某斜拉式桁架桥节点局部应力仿真分析［J］.公路工程与运输，2009（4）：38-42.

责任编辑：孙苏，李红

史建朋（1986-），男，河北石家庄人，研究生，工程师，主要从事大跨度桥梁结构设计工作。

中图分类号：［TU997］，U443

文献标识码：A

文章编号：1671-9107（2016）07-0043-03

doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2016.07.043

收稿日期：2016-06-15

作者简介：杜春林（1976-），男，河北唐山人，研究生，高级工程师，主要从事桥梁及特种结构设计工作。

Joints Stress Analysis of Cable-stayed Bridge of Large-span Steel Truss

Abstract：To study the mechanical behaviors of the key joints of cable-stayed bridge of steel truss girder，named Baijusi Changjiang Bridge，the finite element method is applied.With the finite element software，partial joint model is established.The internal force of the joint region under the worst loading impact is extracted from the whole calculation and analysis results，and is analyzed in the model.The results show that the stress concentration area of the designed joint is small，with the stress in other regions less than 210MPa.

Keywords：steel truss girder；cable-stayed bridge；stress analysis of joints；finite element analysis