何武超

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

0 引言

随着国内城市化进程的纵深发展，城市桥梁除了满足基本的交通功能要求之外，更是承载了城市形象的景观工程。宁波外滩大桥主桥作为一座主跨225 m的独塔四索面异型斜拉桥，造型新颖，喻意深刻，与周边环境协调融合，比之于常规斜拉桥，在建筑造型、结构设计以及施工工艺等方面，对各方参建者都提出了更高的要求。本文以该桥为工程背景，介绍了该桥的塔梁固结节点的应力传递路径、受力机理、合理构造设计。

1 工程概况

宁波外滩大桥是宁波市“五路四桥”工程的一部分，位于甬江桥下游江北区与江东区交界处，是地处市中心的一座景观桥梁，建成后将成为宁波市"三江六岸"又一地标性建筑。外滩大桥主桥采用独塔四索面异型斜拉桥全钢结构，跨径布置自西向东为主跨225 m+边跨82 m+30 m＝337 m。总体布置见图1。

主桥主塔采用三角形斜塔结构，位于两幅分离式主梁的中间位置。主塔结构由四部分组成：前塔柱、上塔头锚固区、后斜杆、水平杆。

主梁采用分离式钢箱梁，通过横梁连为整体。江东侧主梁两侧向下悬挑伸出曲线的人行桥。人行系统包括人行道和人行桥两部分，均采用悬臂工字形钢梁+纵向小主梁结构型式。

2 塔梁固结节点受力特点

塔梁固结节点（见图2）作为平衡主跨轴力、边跨轴力、前塔柱水平分力的重要构造，除了承受前塔柱传递而来巨大的竖向力，将其顺利传递至主墩下部基础结构之外，还是横向活载在主梁与固结约束端产生较大横向弯矩的关键部位，上下行两幅桥的主梁侧向固结在前塔柱上，该侧向约束的强弱程度，使得轴力的传递和弯矩剪力滞的效应显得尤为复杂。该节点受力特点体现在：

（1）主跨及边跨的斜拉索轴向不平衡分力所引起的纵向剪力及平面扭矩；

（2）主桥活载所引起的竖向剪力及横向弯矩。

3 塔梁固结节点受力性能分析研究

3.1 研究目的及内容

外滩大桥建筑景观造型的轻盈和飘逸决定了结构受力特性和节点构造设计的复杂程度。塔梁固结节点作为非常规构造，常规设计理论无法满足设计要求及精度，因此，展开对其受力分析研究，为设计提供必要设计参数和依据，充分实现景观和结构的设计意图，确保塔梁节点的结构安全可靠，显得颇为紧要，意义重大。

鉴于问题的复杂程度较高，获得其解析解不现实，而用于设计的近似理论方法不足以获得足够的精确度，因此，本研究采用大型通用有限元分析软件ANSYS建立仿真模型，分析其在设计荷载作用下节点各组成部件间力的传递，理解大跨度结构关键节点周围的局部应力大小和应力分布规律，研究在恒载及各荷载组合作用下，塔梁固结节点的应力传递路径、受力机理、合理构造设计。

3.2 有限元分析

3.2.1 有限元模型

本节点受力分析采用通用有限元程序ANSYS对上述塔梁节点建立板壳有限元模型，见图3。

图1 外滩大桥主桥总体布置图

图2 节点构造示意图（对称模型）

图3 节点有限元模型示意图

钢板均采用板壳单元SHELL63模拟，模型两侧各有一段由梁单元Beam44模拟的刚臂，刚臂一端与板壳模型边界用刚域耦合，另一端施加杆单元内力。刚臂梁单元的截面几何属性与主梁标准断面相当，弹性模量为钢材的100倍，可以满足传力要求。刚臂杆端力为全桥杆系模型总体计算中相应截面的内力。

3.2.2 研究荷载

塔梁固结节点结构上的荷载分为：

（1）该节点范围内索梁锚固区的内外索力；

（2）该节点范围内二期恒载；

（3）节点范围内汽车、人群均布荷载及汽车集中荷载；

（4）该节点边界内力，即主梁Z2节段、主梁B2节段、前塔柱TA-2节段横断面上的整体杆系模型相应的轴力、弯矩、剪力。

3.2.3 边界条件

约束边界条件的设定通过固结前塔柱塔底TA-0处位移、转角六个方向自由度来实现。

内力边界条件的设定采用“混合单元”模式，即分析对象的板单元+过渡区域的梁单元，充分利用杆系模型的梁单元内力作为混合单元的边界条件，精确模拟其所关注部位的应力传递机理及分布水平。

对于主力荷载组合工况（恒载+活载） 和主力荷载+温度荷载组合工况（恒载+活载+温度），杆系模型分析计算结果表明，轴向力所产生的应力在组合应力中所占比重较大，故选取轴力最大对应的荷载组合作为最终的内力边界，见图4。

图4 有限元模型内力边界示意图

3.3 研究结果

（1）恒载、组合1工况下应力水平较组合2工况下低，组合2工况下节点各板件Von Mises应力均在200 MPa以下，且属于应力集中部位，整体应力水平在120～180 MPa之间，节点结构设计安全、合理，满足规范要求，见表1。

表1 主梁平面板件Von Mises应力汇总（单位：MPa）

（2）塔梁固结节点的平面板件整体Von Mises应力处于100～130 MPa之间，富余度较大。Z0+Z0a顶板圆弧过渡处的局部应力集中达到130～150 MPa，满足规范要求。

（3）Z1～B1顶板、底板纵桥向应力基本处于受压状态，横桥向应力在Z0与Z0a相交处较大，体现出主桥钢箱梁悬臂支撑于Z0a的受力特性；顶板、底板主桥侧、引桥侧两处倒圆角过渡区域产生一拉一压应力集中，体现出主引桥两侧不平衡轴力所产生的平面扭转效应，见图5。

（4）塔梁固结节点竖向力的传递路径为前塔柱TA2～TA1-主梁Z0a顶板、隔板、底板-前塔柱TA0。对应该传递路径，受力特性上表现出TA1节段面板应力水平较高，通过Z0a的过渡，到TA0节段部位其应力水平已经有所降低。结构设计安全、合理，节点构造处理较为理想地达到了应力扩散的设计目的。

（5）塔梁固结节点水平力在Z2～B1箱梁轴线上处于不平衡状态，主跨侧轴向力较边跨侧大。该不平衡力与TA1轴向力的水平分力进行平衡，但在平面形成一对力偶产生的平面扭矩，反映到结构受力上则是Z0+Z0a顶、底板两个边角圆弧过渡段产生一压一拉的应力集中。

图5 Von Mises应力（恒载，单位：kPa）

4 结语

外滩大桥作为国内首座独塔四索面异型斜拉桥，造型奇特，结构复杂。塔梁固结节点汇集三个方向的关键节段构造（主梁节段Z0、前塔柱节段TA-1、墩顶主梁Z0a、塔墩固结节段TA-0） 主跨分离式双主梁与前塔柱通过横梁交汇在一起。整个节点构造板件立体交错，纵、横、竖向加劲密布，空间狭小，为非常规构造设计，国内外可借鉴的类似的工程经验较少。本文借助通用有限元程序展开对其受力分析研究，为设计提供必要设计参数和依据，包括关键节点的应力传递路径、受力机理、合理构造设计等，充分实现了景观和结构的设计意图，确保了塔梁节点的结构安全可靠。外滩大桥2008年6月正式开工建设，于2010年年底顺利竣工通车，至今运营良好。

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