广西梧州西江四桥局部复杂节点有限元计算分析

阮波

摘要：文章对广西梧州市西江四桥开展研究，以主桥的工程方案为基础，利用有限元软件ANSYS对桥梁的边拱肋系杆锚固节段、混凝土拱箱（包括主拱肋钢筋混凝土结合段、边拱肋钢筋混凝土结合段以及混凝土拱肋拱座）进行模型分析，并运用数值模拟的方法，对该桥的复杂节点进行局部分析。结果表明：复杂节点大部分区域的受力情况满足规范要求，对于计算中出现的应力较大的区域也给出了相应的解决方案，验证了结构的设计合理可靠，局部分析的方法在桥梁设计中起到了重要的作用。

关键词：拱桥;钢箱系杆;局部分析;数值模拟

中图分类号：U442 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.021

文章编号：1673-4874（2019）10-0069-04

0引言

广西梧州市的西江四桥主桥是按照双层桥面设计的系杆拱桥，设置了三跨中承式钢箱，沒有采用较为传统的“飞鸟式”三跨中承式系杆拱桥型，而是将边拱肋钢箱部分设计在桥面之上。这种独特的建筑构造也使得桥梁结构受力复杂，因此有必要在工程的设计过程中进行更加精确的计算与分析。

本文采用大型数值分析软件ANSYS对该桥设计计算中的重要部位（边拱肋系杆锚固节段、混凝土拱箱）进行了局部精细化计算分析，以期为同类型桥梁的设计计算提供有价值的参考。

1工程概述

广西梧州市的西江四桥与上游梧州市的长洲岛东汇流口之间的距离大约为1.5km，与上游的西江大桥之间的距离大约为3.1km，与下游浔江和桂江汇合口相距约2.5km，与下游云龙大桥相距约4.5km。桥位选址处在梧州传统活动“龙舟赛”的竞技线路上，为了便于游客和市民观赛，大桥被设计咸双层桥面，上层为机动车通行，下层为行人和非机动车通行。主桥桥型如图1所示。

西江四桥的主桥分为300m长的中跨以及两个129m长的边跨，桥梁全长558m，边跨为两側对称的形式。主跨与边跨拱肋的拱轴线是悬链线型，中跨与边跨的拱肋是箱型截面，拱肋在桥面系以下是预应力混凝土结构形式，桥面以上是钢箱拱。为加强空间稳定性，中跨拱肋两肋间设14道水平联系，边跨拱肋两肋间设6道水平联系。上下桥面系均为钢混叠合构造（钢格构+混凝土桥面板组成），仅由于负载不同而在结构尺寸上有所不同。

大桥设置了柔性系杆体系以平衡边跨水平推力以及改善边跨拱肋。系杆通过系杆支架定位（系杆支架设置在吊杆横梁上），系杆在沿上层桥面的整个主桥长度范围内，两端分别锚于两个边跨拱肋端部。仅设置通长柔性系杆，不足以使边拱的强度和刚度满足要求，大桥还在边拱内设置了刚性钢箱系杆。

2局部分析建模

2.1全桥静力计算分析

西江四桥的复杂节点局部分析是针对桥梁的整体结构进行计算分析后的补充研究，因此西江四桥全桥静力计算的分析结果为复杂节点局部分析提供了模型边界和荷载取值等基础资料。

基于Midos Civil软件，对西江四桥主桥进行整体的静力分析。其中，吊杆、系杆采用桁架单元进行模拟，拱肋、腹杆、横撑采用梁单元进行模拟，主梁则采用梁单元和板单元组合模式进行模拟。边界条件根据实际工程模拟。全桥共2916个节点，3619个单元。模型如图2所示。

2.2 边拱肋系杆锚固节段复杂节点局部分析

（1）计算目的

边拱肋系杆锚固节段既为柔性系杆锚固区，也为拱肋拱脚与钢纵梁（刚性系杆）的连接区，底部为支座约束。荷载作用下各杆件之间受力相互影响，压、弯、扭耦合，受力复杂。系杆锚具的预埋管在混凝土中会形成较大的孔洞，导致混凝土受力更为复杂。

（2）材料性能及参数

使用ANSYS软件建模计算，长度单位为mm，钢板使用She1193单元，材料采用Q345C钢材，其弹性模量取2.1×10MPa，泊松比取0.3，屈服强度为345MPa。混凝土为Solid187单元，材料采用C50混凝土，其弹性模量取3.45×104bpa，泊松比取0.2，軸心抗压强度设计值取22.4MPa，轴心抗拉强度设计值取1.83MPa。

（3）边界与荷载

如图3所示，局部模型在拱肋、钢纵梁上以竖向截面切断，拱肋和钢纵梁切口均位于最边一根吊杆位置（不含吊杆）。

支座区域分布竖向位移约束，拱肋和钢纵梁切口采用刚域设置成平截面，将拱肋在切口处进行固定端约束，保证选择的局部结构为几何不变体系。

表1中所示为钢纵梁和系杆分别在全桥计算中的最不利内力值。钢纵梁切口处的内力通过刚域主节点施加。根据系杆锚具的实际传力方式，系杆力通过一环形支座板间接施加在锚垫板上。

2.3 混凝土拱箱局部分析

（1）计算区段

此部分计算包含三个区段：主拱肋钢混结合段（见图4）、边拱肋钢混结合段（见图4）、混凝土拱肋及拱座（见图5）。

（2）材料性能及参数

建模时钢板采用板壳SHELL63单元模拟，混凝土采用实体单元SOLID45模拟，预应力筋采用Link8单元模拟，预应力筋与混凝土采用约束方程实现两者的连接，预应力筋张拉控制力采用初应变法施加。

（3）边界与荷载

对于主拱肋和边拱肋钢混结合段，在混凝土拱肋的下端施加所有方向上的约束，拱肋系梁的中间施加对称约束。对于混凝土拱肋及拱座，在混凝土桥墩底面施加所有方向上的约束，拱肋系梁的中间施加对称约束。

从Midas软件整体分析模型分别提取钢拱肋上端所对应节点的軸力最大、剪力最大和弯矩最大时相应的内力结果作为拱座局部分析时拱肋端部的加载工况，如表2-5所示。可以通过在拱肋加载面上设置刚性区域和将集中力分散到该面的每一个节点上的方法，来减弱应力集中的影响。ANSYS软件有限元模型见图4-5。

3计算结果分析

3.1 边拱肋系杆锚固节段局部分析结果

下页图6-7所示为边拱肋系杆锚固节段局部模型计算结果，得出混凝土大部分应力很小，如图6主拉应力一般在1.814MPa以下，在混凝土的部分尖角边缘处以及支座局部受压区的边缘外侧存在较大的主拉应力。这一情况将采用局部加强钢筋应对。如图7所示，主压应力最大值为14.22MPa<22.4MPa，满足要求。

如图8所示，钢结构总体上应力不大，大部分区域在109.235MPa以下，锚垫板区最大应力为152.904MPa。应力较大的区域出现在钢纵梁顶板一带。此区域的较大应力主要表现为顶板开孔的应力集中。

在排除应力集中单元前，圆孔处存在最大应力为245.779MPa，小于Q345钢材的屈服强度及其抗拉强度设计值，满足要求。排除纵梁开孔处的应力集中单元之后，钢结构的最不利应力点位于如图9所示锚垫板处。

3.2 混凝土拱箱局部分析结果

通过对主拱肋钢混结合段的三种工况分析可知，主拱肋結合段混凝土拱肋最大主应力为2.56MPa，出现在軸力最大工况，该结果偏大，且超出了C60混凝土的抗拉设计强度1.96MPa。但该值出现在混凝土拱肋倒角处，由于网格划分的原因，该部位出现了应力集中的现象，而此部分以外区域的混凝土的主拉应力均较小。另外结合段处的混凝土内、外及顶面均外包有钢板，对混凝土具有一定的约束作用。主拱肋结合段混凝土拱肋最小主应力为17.2MPa，主拱肋结合段钢拱肋Mises应力为116MPa。

通过对边拱肋钢混结合段的三种工况分析可知，边拱肋结合段混凝土拱肋如图10所示，最大主应力为1.63bPa;如图11所示，最小主应力为9.0MPa;如图12所示，Mises应力为66.2MPa。

通过对混凝土拱肋及拱座的三种工况分析可知，如图13所示拱脚及拱座混凝土拱肋最大主应力为1.52MPa;如图14所示拱脚及拱座混凝土拱肋最小主应力为-18.8MPa。拱脚及拱座混凝土在混凝土主拉应力较大，为了减小图中所示区域的主拉应力，设计中通过对区域2中混凝土内添加劲性钢骨架及在混凝土表面布设防裂钢筋网的措施，以防止该区域混凝土出现开裂的现象。对于区域1和区域3中主拉应力较大的现象，设计中在拱肋的腹板及顶底板间设置劲性拉杆及在拱肋混凝土表面布设防裂钢筋网，以防止混凝土出现开裂的现象。

4 结语

局部分析方法能够在一些具有特殊结构的工程设计中发挥可靠的作用。它计算出的精细结果能够在很大程度上帮助设计者做出准确的判断，在整体桥梁结构设计中能够起到极大的作用。本文以梧州四桥主桥的工程方案为基础，运用数值模拟的方法，对该桥的复杂节点进行局部分析，结果表明：

（1）边拱肋系杆锚固节段局部模型和混凝土拱箱局部模型的大部分区域受力情况均能够满足规范的要求。

（2）边拱肋系杆锚固节段混凝土在部分尖角边缘处以及支座局部受压区的边缘外侧存在较大的主拉应力。钢结构应力较大的区域出现在钢纵梁顶板一带。

（3）拱脚及拱座混凝土主拉应力较大，可在混凝土内添加劲性钢骨架、在拱肋的腹板及顶底板间设置劲性拉杆以及在混凝土表面布设防裂钢筋网，以防止该区域混凝土出现开裂的现象。