大跨钢系杆拱桥拱脚节点受力及优化分析

黄世平

摘要：文章结合大跨钢下承式系杆拱桥施工实例，选取336m作为跨径，对拱脚的局部节点进行受力分析，并进行了相关计算。通过有限元计算发现局部受力确实存在一些问题，并采取了一定的优化方案进行相关检验。结果发现：拱脚节点的局部受力是由于构造方式不好导致的，需要对支座和开洞布置进行相关优化，同时，钢板厚度也需要进行改进。通过验证优化，拱桥拱脚的节点设计有了很大的提升空间，如针对系杆中腹板间距较大、系梁腹板不直等问题，具有一定的参考价值。

关键词：大跨钢;拱桥拱脚节点;受力分析;优化

0 引言

大跨钢下承式系杆拱桥主要由系杆、吊杆以及拱肋组成，是一种没有推力的连接体系，具有很多优点：灵活性的基础变位以及容易进行拼装等。基于以上优点，这种拱脚节点被采用的频率越来越高，特别适用于地质环境比较薄弱和空间受限的情况。本文采用的拱脚节点作为整个受力传力部分的关键环节，同时承受着支座反力和系杆内力以及锚固局部压力的作用。作为一种三维空间结构，首先考虑以杆系理论作为基础进行设计，其中，拱脚结构所处位置情况比较复杂，受力也不均匀，必须注重细部结构。考虑到这种特殊的结构构造和受力状况，对其进行受载分析后，发现其应力分布状况很难通过相关理论进行精确分析，所以，本文通过使用有限元分析软件ANSYS对其进行局部受力分析，使用三向力对拱脚节点空间受力进行规律分析，然后设计出节点优化解决方案，使其更加合理。

1 工程概况

某大桥工程采取336m作为跨径，桥梁总长为349m，桥宽约45m，系梁主要由横梁、两边箱以及桥面板组成，桥面板是正交异性。双边箱尺寸为2.5m×2.93m，中间梁高3.2m，横梁之间的间距为3m。在横桥处，由两片高度为61m的拱肋组成，倾斜角为12°。在两个拱肋之间分别设有间距为24m的12个横撑。两个不同吊索之间的间距为12m，一共有26对。整座桥一共设有8根系杆，每个边箱4根。具体总布置图如图1和图2所示。

2 拱脚节点设计

整座大桥拱脚节点一共有18.95m长，拱肋顶板高7m，厚4.5cm，底板厚5cm，腹板厚3.5cm。处于双边箱位置的系梁厚度约为1.5～3cm之间，腹板厚1.6～3cm，底板厚3cm[1]。

为了保证拱脚节点处能够比较均匀地传力，要保证拱肋和系梁边箱的腹板一致，前者为圆柱形，这种造型会造成网格划分过密，会直接影响计算的精确程度。所以，在本文中，把拱肋等效为方柱，可以大大简化计算结果，所有的状况都按照实际模拟，后者采取12°倾斜角。因为跨径比较宽，所以相对普通系杆拱桥而言，系梁腹板间距比较大。为了保证竖直力能够利用腹板传送到支座，把支座设计在系梁底板中间位置，并设置4.5cm的横隔板进行支撑。整个内力一般通过以下方式进行传送：水平力通过焊缝传送到系杆和系梁，竖直分力首先利用腹板传送到横隔板，然后再传送到支座。一般情况下，会在腹板之间加一个中腹板来保证隔板和支撑板之间的受力平衡均匀。拱脚节点如图3和图4所示。

3 有限元计算分析

因为整座桥需要进行系杆和吊索锚固，需要对横梁等多个节点进行细致分析，所以采取子模型法是一个比较合适的方法。首先大体设计一个整座桥的板壳单元模型，其尺寸为1m，然后再进行细化，分别得到不同部分的子模型[2]。其中，在进行计算的过程中，为了减少误差，需要对一些边界条件进行整体层面施加。为了准确模拟整个支撑效应，使用零反力方法进行模拟。具体为：在约束中心点，增加竖向的反作用力于底板节点并不断调整此力的大小，保证支座中心点约束力为零，此时把支座的受力状况视为实际受力情况。对于整体结构模拟分为两种情况：（1）通过重力加速度;（2）通过车道和人群载荷等对桥面施加，可以得到比较均匀的负载方式。

通过计算分析可知，腹板应力逐步汇集于支座隔板，导致两者连接区域应力相对来说比较大，与一开始的力传递设计理念基本相符合。其中，腹板在梁端一方的力也增大，主要是由于力的传递路径导致产生了竖向剪应力，并接受来自系杆的水平力，使两者共同作用而导致[3]。

通过分析，针对拱脚节点主要发现以下几个问题：

（1）支座的横隔板和系梁拱肋的腹板的应力最大可达346MPa左右，可见数值比较大，与一开始的设计值偏差比较大，并超出钢材强度数值。这主要是因为拱肋的内力是利用隔板来到达支座的，整体内力会聚集在支座隔板处。另外，整座桥只在系梁内设置了隔板，而其他地方没有设置，导致腹板在与隔板和顶板的交叉位置处刚度变化比较大，在很大程度上会导致应力集中，从而超出设计值。

（2）腹板的两侧受力不均匀，其中，外侧的大于内侧的。这主要是由于腹板在设计的时候具有一定的倾斜角度，而支座处于整个底板的中间，整体内力会通过外面的腹板先传给隔板，然后再传给支座，整体内力会利用最短的路径进行传送，从而导致腹板整体受力不均匀。

（3）由于隔板是人為进行开口的，很容易导致应力集中的情况。另外，内力首先通过侧腹板进行传送，这样就很容易增大隔板和外侧腹板连接的面积，从而会使隔板应力超出钢材强度值。

4 拱脚节点受力优化

通过对拱脚节点进行受力分析，针对其出现的问题，主要通过以下四种方案进行解决：

（1）方案1：把腹板设置在系梁到拱肋内部一段距离，不再设置外侧腹板的开口。使用这种方法，可以把腹板提高，拱肋内应力也会相应增大，并通过中部腹板逐步进行传送，降低了外侧腹板的承受力，通过去除开口，减少了外侧腹板的受力。

（2）方案2：把加劲板和腹板从水平改成竖直，同时减少中心线和支座横向的位移35cm，不再设置隔板开口。使用这种方法，可以加大应力在竖直方向的传输效力。此外，还可以保证支座内侧移动，使得外侧腹板受力更加均匀。

（3）方案3：把隔板逐步延长至拱肋顶板。使用这种方法，不但可以降低隔板的整体受力情况，还可以加大隔板和腹板之间的连接距离，降低隔板的竖向高度。另外，大大增强了腹板刚度，避免了连接处刚度变化带来的负面影响，减少了腹板的局部受力。

（4）方案4：联合方案2和方案3，然后对相应模型进行整体计算，得到的板件受力情况如表1所示。

通过计算分析，得到以下結论：

（1）利用方案1进行改进以后，腹板和中腹板受力减少，然而内侧腹板比外侧腹板却增加了很多，没有改善腹板受力不均匀的状况。此外，相对于钢材强度设计值，支座隔板受力并没有得到改善[4]。

（2）利用方案2进行改进以后，内外侧腹板的受力情况基本均匀，中腹板受力也降低了。另外，因为支座传力效力显著增加，所以相应隔板受力情况也逐步下降。

（3）利用方案3进行改进以后，隔板整体受力情况改善最为明显，同时也降低了腹板受力情况，改善了腹板整体的受力水平。

（4）利用方案4进行改进以后，同时采取方案2和方案3的优点，保证了腹板应力降到了210MPa左右，使腹板的受力基本平衡。与此同时，支座隔板的应力也减少到245MPa，明显低于最初设计值。

通过对比以上四种方案发现，采取方案4可以保证拱脚节点达到最优的规划设计。

5 结语

（1）本文采取子模型法进行有限元分析，这种方式具有一般性，不但克服了荷载施加的难度，降低了一些边界条件带来的负面影响，同时大大提高了结果的精度。通常，采取多个关键节点进行受力分析，使用这种有限元分析计算比较简便。

（2）对于钢结构系杆拱桥，如果要求拱肋和腹板带有一定倾斜角度的情况，需要竖直放置将支座加劲，把支座往内侧横向偏移一些距离，从而能够保证腹板整体受力平衡[5]。

（3）如果腹板之间的间距比较大，使用隔板来传送竖直方向的力。为了降低隔板和系梁之间的刚度，可以把隔板逐步延长至拱肋顶板，从而降低局部应力情况。

（4）使用本模型设计的拱脚节点，主拉应力都比较小，不需要再通过钢筋和预应力进行加强，只需对主拉应力比较大的地方进行稍微处理。此外，拱脚节点的尾部主拉应力相对来说比较强，因此在进行设计的时候要非常谨慎。

（5）拱肋和拱脚的连接点的压应力比较大，主要是由于泊松效应的缘故，所以一定要采取相应的措施进行避免。另外，在设计过程中也不能过分追求造型完美，可能会造成局部应力过大的情况，使拱脚节点遭到破坏。

参考文献：

[1]郭诗惠，邱泽彬，汪亚运.多因素作用下的旧拱桥主拱肋受力分析及加固研究[J].河南理工大学学报（自然科学版），2019，38（2）：136-142.

[2]苏卫铭.新型装配式钢结构半刚性节点力学性能及抗倒塌性能研究[D].西安：西京学院，2019.

[3]黄勇军.大跨度钢桁拱桥关键节点受力特性及优化研究[J].铁道科学与工程学报，2018，15（7）：146-153.

[4]孙林林.斜靠式系杆拱桥设计与施工要点[J].北方交通，2017，34（3）：45-46.

[5]刘强华.大跨度、大重量斜靠式系杆拱桥浮拖法施工技术研究[J].铁道建筑技术，2016，45（2）：57-58.