侯宝林

摘 要：随着我国经济的突飞猛进，城市公共设施得到了大力发展，造型独特的景观桥梁如雨后春笋般拔地而起。景观桥梁兼具建筑美学与交通功能，其结构的创造性和复杂性往往带来传力不明确、应力集中等问题。某人行景观桥局部节点采用塔梁墩固结设计，该节点构造复杂，应力分布不明，需采用有限元软件建立实体模型进行分析，以确保结构设计安全可靠。

关键词：钢桥;塔梁墩固结;有限元分析;局部应力

中图分类号：U441.5 文献标识码：A

1 工程概况

某人行景观桥上跨既有城市快速路，道路红线宽67 m，桥梁全长202 m，受地形和管线影响，道路红线范围内仅一条道路侧分带可以设置桥墩，其余桥墩需设置于道路红线外侧的公园绿地。该桥采用不对称的布置形式，跨径布置为40+40+57+40+25=202 m（圖1）。上部结构和桥墩均采用钢结构设计，主梁结构为等高变宽连续钢箱梁，2号墩的梁顶设置倾斜式桥塔，桥塔轴线长约40 m，与水平面夹角为40°，桥塔与第三跨主梁之间设置15根斜拉索，桥墩采用矩形截面钢墩。

该桥的刚度主要由梁体提供，桥塔向主跨方向倾斜，呈单端固结的悬臂结构，对桥面荷载的承担比例相对较小，桥梁从受力性质上可看作是索塔增强的梁桥[1]。因人行桥对振动舒适度要求高，竖向自振频率不小于3 Hz[2]，当采用塔梁墩固结的刚构体系[3]，不但可以提高结构的整体刚度和结构自振的基频，使之避开人桥振动的敏感频率范围[4]，而且索塔处不需要设置支座，解决桥梁管养更换支座困难的问题。塔梁墩固结体系一个显著特点是主梁在固结处的负弯矩大，且温度作用引起的结构附加内力不可忽视，塔梁墩固结段的翼板、腹板、横隔板等板件及其加劲肋交错布置（图2），呈复杂的三维应力状态，若仅基于杆系模型进行受力分析可能导致计算结果与实际情况大不相同，故有必要建立该节点的实体模型进行受力分析，求解各板件的应力分部情况和应力大小。

2 计算模型

塔梁墩固接处，钢桥塔与钢箱梁斜交，钢桥墩与钢箱梁正交。塔、梁、墩的材质均采用Q355C钢材。通过有限元软件 midas建立的杆系模型计算，将塔梁墩固接段在基本组合下的内力最大值和最小值提取出来，选取最不利的内力施加在有限元软件Ansys建立的空间三维板壳节段模型上，进行受力计算分析。

根据圣维南原理[5]，还需要在塔梁墩模型的外围再建一段过渡段，以避免边界上内力施加处应力集中对结果分析干扰。过渡段采用与塔梁墩模型相同的材料和断面，但在结果分析不纳入分析范围。过渡段的长度取5 m，即钢箱梁两端、桥塔、桥墩各加长5 m，并在过渡段的终点建立一个端面，方便施加荷载。

有限元模型选用Shell93单元对几何模型进行网格划分（图3）。在施加边界条件时，Ansys模型必须要有固定的自由度约束，因此将桥墩底部边界段的端面设置为固接，在钢箱梁左右两侧的边界段的端面上和桥塔边界段的端面上施加由整体杆系模型计算得到的弯矩、剪力和轴力。

3 计算结果

（1）结构整体应力。结构整体 mises应力结果见图4和图5，钢箱梁的顶板和底板、钢桥墩的主板应力水平相对较高，而钢桥塔、钢箱梁和桥墩中的横隔板应力水平相对较低，最大应力不超过240 MPa。

（2）桥塔应力计算。钢桥塔的应力大小在60 MPa～120 MPa，应力水平较低（图6）。

（3）钢箱梁应力。钢箱梁的应力云图见图7，钢箱梁的顶板的应力最大值出现在桥塔的异形侧板（J15）与箱梁顶板的相交处，这与建模时将实际中的圆弧简化成折角有关使得此处应力集中，钢箱梁顶板的平均应力在90 MPa～120 MPa左右，满足设计要求。钢箱梁底板的应力比顶板的应力略大，底板的平均应力在180 MPa～210 MPa范围。

（4）钢桥墩应力。钢桥墩的应力云图见图8，截面应力分布不均匀，剪力滞效较为明显。钢桥墩的应力最大值出现在异形侧板（J22）的角点处，这与建模时将实际中的圆弧简化成折角有关，使得此处发生应力集中。由应力云图可知，钢桥墩的平均应力约为180 MPa～210 MPa，满足设计要求。

4 结论

（1）塔梁墩固结区域的板件受力较为复杂，杆系模型不能反映该节点真实的应力分布情况，需要建立实体模型进行细部构件应力计算。（2）该桥塔梁墩结合段满足受力要求，应力水平尚有富余，构造合理，结构安全可靠。（3）桥塔异形侧板与主梁相交处以及桥墩的板件角点部位有应力集中现象，可通过设置加劲肋以防止板件局部失稳和变形过大。

参考文献：

[1]张连振.大跨度桥梁设计与施工[M].北京：人民交通出版社股份有限公司，2015.

[2]CJJ 69-95城市人行天桥与人行地道技术规范[S].

[3]上官萍，房贞政，卓卫东.塔梁墩固结斜拉桥结构受力分析[J].福州大学学报（自然科学版），1999，39（03）：19-22.

[4]陈政清，华旭刚.人行桥的振动与动力设计[M].北京：人民交通出版社，2009.

[5]张少实.新编材料力学[M].北京：机械工业出版社，2002.