张 琳，曾天宝

（1.江西省交通科学研究院，江西 南昌 330038；2.南昌市城市规划设计研究总院，江西 南昌 330038）

0 前言

异型拱桥作为一种新兴桥型，以其独特的美学效果，随着拱桥结构分析理论的完善，以及施工工艺的突破得到了飞跃式的发展[1-3]。由于异型拱桥结构的特殊性，受力比较复杂，除了对其进行整体计算外，对异型系杆拱桥局部受力性能的研究显得十分有必要。本文对南昌市艾溪湖大桥局部受力性能进行研究，将研究结果作为施工依据，也为类似桥型的计算提供参考。

1 工程概况

艾溪湖大桥是南昌市“三环十一射”路网骨架中主要放射性道路北京路—紫阳大道上重要的城市桥梁，东西横跨艾溪湖。主桥以对称倾斜拱结构与桥外伸出的半圆人行道等相对，寓意“张开双臂、拥抱蓝天”，也预示南昌市美好的未来与日同辉。主桥效果图如图1所示。

图1 艾溪湖大桥景观效果图

1.1 主桥桥型总体布置

主桥为三跨连续外倾式四索面下承式钢箱系杆拱桥，桥长168 m。主跨108 m，两边跨各30 m。车行道全宽31 m，拱侧人行道由桥端位置宽5.0 m按曲线渐变到主跨跨中位置宽7.5m。如图2所示。

图2 艾溪湖大桥立面图（单位：cm）

1.2 钢箱梁构造

钢箱梁分为主跨和副跨两部分。

主跨横断面由三个钢箱梁组成，即两侧非机动车道钢箱梁和机动车道钢箱梁。其中机动车道钢箱梁为等截面，宽41 m，截面高度为1.59～2.0 m。两侧非机动车道钢箱梁平面变宽，宽度为5～7.5 m，梁截面高度为1.59 m。

副跨钢箱梁为等截面，截面宽42 m，截面高度为1.59～2.0 m（见图3）。箱梁横向设置9道腹板。其余同主跨机动车道钢箱梁结构。

图3 艾溪湖大桥副跨桥钢箱梁截面图（单位：mm）

1.3 拱圈构造

拱圈由主拱和装饰拱组成。主拱圈横截面为变截面，拱顶截面为1.5m×1.3m，拱底截面为2.5m×2 m。主拱拱脚中心与箱梁中心线横向水平距离18.5 m。主拱圈与装饰拱之间采用连接杆连接。连接杆截面为1.5 m×0.4 m（见图4）。

1.4 吊杆构造

图4 艾溪湖大拱截面图（单位：mm）

吊杆分内侧吊杆和外侧吊杆。外侧吊杆采用19φ5平行钢丝束，与非机动车道箱梁外缘相连，一侧共有23根；内侧吊杆91φ5平行钢丝束，与车行道箱梁相连，一侧共有25根。内侧吊杆D=0.055m（91φ5），外侧吊杆 D=0.025 m（19φ5）。

1.5 主要技术指标

主要技术指标如下：

（1）设计行车速度：V=60 km/h。

（2）桥面宽度：

主桥总宽41～73 m，73 m断面组成为：1.5 m（吊索区）+7.5 m（人行道）+7 m（镂空段）+5 m（吊索区）+15.25m（机、非混合道）+0.5m（防撞墩）+15.25m（机、非混合道）+5 m（吊索区）+7 m（镂空段）+7.5m（人行道）+1.5m（吊索区）。

（3）桥面横坡为2%。

（4）桥梁设计基准期：100 a，环境类别Ⅰ类。

（5）荷载等级：公路 -Ⅰ级：人群：3.5 kN/m2。

2 结构局部计算分析

2.1 拱脚局部分析

2.1.1 模型建立

模型采用Auto CAD建模，然后导入ANSYS9.0（见图 5）。

图5 拱脚空间实体模型

几何模型：拱脚部分主拱圈截长为4 m左右（近似采用等截面2 500 mm×2 000 mm）；主梁截取纵向为6 m，横向为6 m，并以拱脚中心点对称布置，拱脚部分箱梁顶底板厚4 cm。锚箱设置于两横隔板之间，平面尺寸为4 m×4 m。纵向设置6道主加劲板，板厚40 mm，板高200 mm，设置位置均匀分布在拱脚平面；横向设置沿拱脚横截面方向设置2道加劲板，板厚40 mm。在顶板设置网格状局部加劲肋，肋高40 cm，板厚为3 cm；并沿拱脚底截面设置一圈加劲肋，肋高40 cm，板厚为3 cm。在底板设置网格状局部加劲肋，分为主肋和次肋。主肋在底板纵横向设置，高40 cm，板厚为4cm；次肋进行局部加密，高30 cm，板厚为2 cm。在拱脚底部中心位置设置一支座位置，平面1 000mm×1 000mm。在拱脚端部设置拱脚系杆锚固端，由锚垫板、传力板、加劲板和锚道管加劲肋组成。外围大致尺寸为66 cm（长）×70 cm（高）×95 cm（宽）。锚道管（外径为40 cm，管壁厚3 cm）穿过锚箱并与相交板肋焊接。锚固端各组成钢板板厚均为4 cm厚。

力学模型：单元为SOLID45和MASS21。各实体间连接为粘结，近似模拟焊接。

2.1.2 边界条件及施加力

（1）主梁顶底板截断边界：横向采用面位移全约束、纵向采用位移全约束，支座钢板底部采用UZ向约束。

（2）拱圈截面内力采用整体计算内力（拱脚部位），施加力如下：

FX=-17 794.6 kN，MY=-8 965.9 kN·m，FZ=269.6 kN，MX=586.6 kN·m，

MZ=-1 8357.9 kN·m，FY=323.1 kN

（3）一侧系杆力施加4 000 kN，施加于锚道管端部（考虑最不利由锚道管传力，这样安全一点），均布力为 115MPa（σ=4 000×10-3/0.034 87=114.7）。

（4）拱圈截面加载时在ANSYS9.0中在截面中心位置设置一辅助点（MASS21），在该节点设置局部坐标系，并建立截面刚域；然后在该点加载。

（5）结构考虑重力，g=9.8 N/kg。

2.1.3 结果分析（见图6）

图6 拱脚计算云图

该项目分别提取了拱脚各个组成部分最大应力：

主拱圈应力：MAX=230 MPa（位于拱圈根部外侧与顶板相交处）

主加劲肋：MAX=243 MPa（位于与底板应力大点对应处）

顶板加劲肋：MAX=248 MPa（位于与主拱圈应力大点对应处）

底板加劲肋：MAX=200 MPa（位于与支座位置对应处边缘）

顶板：MAX=108 MPa（对应拱脚内侧角部位置）

底板：MAX=197 MPa（在支座角部位置）

锚道管：MAX=115 MPa（系杆力施加面）

锚固张拉端：MAX=162 MPa（锚道管与张拉垫板相交处）

经计算，以上应力结果表明拱脚局部计算满足强度要求。

2.2 吊杆主梁锚固点分析

2.2.1 模型建立

模型采用AUTOCAD建模，然后导入ANSYS9.0。

几何模型：锚固点设置在梁底，锚道管中心线与主梁横隔板重合；主梁截取锚道管周边梁体（纵×横=2 m×2 m）。锚道管内壁直径120 mm，壁厚20 mm；锚道管伸出梁底100 mm。沿锚道管均布4道加劲肋板（与锚道管垂直），尺寸为300 mm×300 mm，板厚10 mm。并沿锚道管纵向两侧设置加劲肋（主梁范围内），肋板厚14 mm。锚道管处横隔板厚14 mm。实体空间模型如图7所示。

图7 吊杆主梁锚固点空间模型

力学模型：单元为SOLID45。

2.2.2 边界条件及施加力

（1）各实体间采用粘结，以模拟焊接；

（2）主梁截取边界面均采用面全约束；

（3）施加吊杆集中力为1 000 kN，以均布面压力荷载施加于锚道管底部截面；

（4）结构考虑重力，g=9.8m/s2。

2.2.3 计算云图和结果（见图8）

（1）锚道管：MAX=191 MPa（锚道管张拉端部与主梁相交处）

（2）主梁：MAX=230 MPa（部位同上）

图8 计算云图

（3）加劲肋（纵向和横向）：MAX=119 MPa（在纵肋底板处）

从图8中可看出，应力最大值出现于相交点应力集中部位；结果表明张拉端满足强度要求。

2.3 吊杆拱顶锚固点梁段分析

2.3.1 模型建立（见图9）

图9 拱顶锚固点实体模型

模型采用AUTOCAD建模，然后导入ANSYS9.0。

几何模型：取拱顶6 m截段（近似采用等截面1 500 mm×1 300 mm），顶部设一道横隔板，以横隔板对称布置。拱圈壁厚40mm。横隔板板宽20mm，板中心留一椭圆型孔洞（350mm×450mm），边缘设镶边板，板厚10mm，板宽120mm。拱圈内侧均匀设置9道加劲纵肋，肋厚20mm。在拱圈下方正对横隔板位置并顺拉索方向设置锚拉耳，板厚40mm，中心设置圆形孔洞，直径100 mm。

力学模型：单元为SOLID45和MASS21。

2.3.2 边界条件及施加力

（1）各实体间采用粘接，拱圈截断边界采用面全约束。

（2）在各圆柱型辅助杆件两端截面施加面集中力，施加方法同拱脚计算。施加力：内侧吊杆力F=1 200 kN，外侧吊杆力F=120 kN。施加力分解成Y、Z方向。

（3）结构考虑重力，g=9.8m/s2。

2.3.3 计算云图和结果（见图10）

结果显示如下：

拱圈壁应力：MAX=77 MPa

纵向肋：MAX=114 MPa

横隔板：MAX=147MPa

3 结语

本文通过对艾溪湖大桥拱脚、吊杆主梁锚固点、吊杆拱顶锚固点的局部分析，计算结果表明，该桥的局部应力值满足规范要求，但是比整体分析数据[4]大很多，所以对桥梁的局部结构进行分析是很有必要的。

[1]王玮瑶，李生智，陈科昌.异型系杆拱桥[J].中国公路学报，1996，9（l）:46-50.

[2]李生智，王玮瑶，乌肠妙年.异型拱桥[M].北京:人民交通出版社，1996.

[3]李传习.夏桂云.大跨度桥梁结构计算理论[M].北京：人民交通出版社，2003.

[4]欧阳锦，曾天宝，等.艾溪湖大桥受力性能分析[J].中外公路，2012，32（3）:146-150.