02-三主桁斜边桁空间桁架公铁两用桥节点局部应力分析.pdf

三主桁斜边桁空间桁架公铁两用桥节点局部应力分析李杰，陈淮，李谊修，刘建（郑州大学土木工程学院，河南 郑州 ）摘要：郑州黄河公铁两用桥主桥采用无竖杆的三主桁斜边桁的空间桁架形式，其节点构造及受力复杂，为了解该新型节点板处结构的局部受力，采用有限元软件对该主桥第联有代表性的典型节点（）进行局部应力分析，并探讨局部模型边界处理方式对计算结果的影响。计算结果表明：在荷载组合仅考虑主力组合情况下，与节点 相连的各构件的 应力较大，但未超过 钢材屈服强度的要求，结构强度满足安全需要；仅以整体分析得到的变形或内力作为局部分析模型的边界条件进行局部受力分析，所得结果与利用圣维南原理计算得到的结果有较大偏差；应当严格按照圣维南原理的要求进行局部边界条件施加才能得到合理的结论。关键词：公路铁路两用桥；空间桁架；节点；局部应力分析中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：基金项目：河南省杰出人才计划资助项目（）作者简介：李杰（），男，讲师，年毕业于西南交通大学桥梁工程专业，工学学士，年毕业于长安大学桥梁与隧道工程专业，工学硕士，年毕业于西南交通大学桥梁与隧道工程专业，工学博士（：）。工程概况郑州黄河公铁两用桥是石武铁路客运专线和新 国道辅道跨越黄河的特大型公铁两用桥，主桥联全长 ，采用公路在上、铁路在下的双层桥面结构的公铁合建方案，上层公路桥面宽 ，设双向车道，下层铁路桥面为双线客运专线，线间距。主桥钢桁梁采用无竖杆的三角形桁式，桁高，节间距。横向布置片桁（见图），中桁垂直，边桁倾斜，倾斜角 。下弦桁间距，桁宽，上弦桁间距，桁宽，主桁钢材采用 钢。铁路桥面为正交异性板钢桥面，公路桥面为全预应力混凝土结构，支承于钢桁梁上弦，桥面板与钢桁梁上弦及端横梁通过圆柱头剪力钉结合共同受力。郑州黄河公铁两用桥主桥钢桁梁的联均采用无竖杆的三主桁斜边桁的空间桁架形式，腹杆、横梁、平联等各类受力杆件通过高强螺栓连接于弦杆的整体节点板上，下层铁路桥面采用正交异性板与节点区域相连，上层公路桥面采用预制预应力混凝土行车道板通过剪力键、现浇混凝土与上弦杆系相连，此外在连接部位还有大量的拼接板及填板，节点区域构造十分复杂。一般情况下，通过空间梁单元对钢桁梁结构进行全桥整体分析，其结果仅能反映各杆件整体的受力和变形，但对于构造复杂的节点区域的分析有待于细化，特别是整体分析一般无法给出节点区域应力分布情况，因此有必要在钢桁图钢桁梁横断面布置梁整体分析的基础上，选择具有代表性、受力较大的节点进行局部应力分析。由于郑州黄河公铁两用桥主桥结构新颖，对该桥运营状态下的节点局部受力了解不多，有必要对节点部位进行局部应力分析。为了确保桥梁的安全运营，本文在主桥第联世界桥梁 ，（）连续钢桁梁整体分析的基础上，选择最不利的有代表性的节点 （节点编号见图，下弦节点编号依次为、，上弦节点编号依次为、，边弦以记，中桁以 记，节点 位于号支承部位），依据圣维南原理，利用有限元软件建立精细模型进行运营阶段节点局部应力分析，并对节点局部模型的边界条件施加方式进行讨论。钢桁梁整体有限元分析对郑州黄河公铁两用桥主桥的第联（跨连续钢桁结合梁结构）采用 有限元软件进行整体分析。其中钢桁梁、弦杆及腹杆采用空间梁单元模拟；桥门架采用桁架单元模拟；正交异性桥面板、肋、板肋以及横梁进行板单元厚度等效后采用板单元模拟；节点板局部刚度采用刚域考虑，并以节点力考虑节点板自重；公路预制桥面板采用梁单元模拟。铁路活载按两线“活载”加载，混凝土道碴槽、道碴、轨道结构等铁路二期恒载为 ；公路活载按照公路级车道加载，并符合河南省地方标准提高 倍设计的规定，公路桥面铺装等二期恒载为 。限于篇幅，本文荷载组合仅考虑主力组合：恒载铁路活载 公路活载。按照圣维南原理“分布于弹性体上一小块面积（或体积）内的荷载所引起的物体中的应力，在离荷载作用区稍远的地方，基本上只同荷载的合力和合力矩有关；荷载的具体分布只影响荷载作用区附近的应力分布”，可根据整体分析选择代表性节点 及与该节点相连接的杆件进行局部应力分析。通过整体计算得到与节点 相连接杆件的内力和位移，则局部应力分析模型断开位置的边界可以按照整体分析的内力和位移进行施加。在主力荷载组合下，采用 有限元软件进行整体分析计算得到的与节点 相连各杆件的最大组合应力见图。可以看出，节点 下弦受压，下弦杆最大组合压应力达到 ，上弦杆受拉，且最大组合应力为 ，节点附近应力较大，同时构造也较复杂。斜边桁下弦与中桁下弦受力较大。图节点 整体分析最大组合应力节点板 局部应力分析 局部分析模型采用 有限元软件建立节点 的局部有限元模型（见图）。钢桁架各钢板采用板单元模拟，预制公路混凝土桥面采用实体单元（未考虑预应力效应）模拟，正交异性桥面及肋、各加劲肋板、填板采用板单元模拟，局部分析模型共计 个节点，个单元。应用圣维南原理进行局部分析，即把用梁单元作整体计算所得内力和位移作为局部 切开 横 截面 形心处的外 力 和 位 移 边 界 条件，施加边界条件后再进行局部应力分析。计算结果及分析依据圣维南原理，采用 有限元软件计算得到的与节点 相连接各杆件的板件 应力、最大主应力和最小主应力见表，图为节点 采用局部分析模型得到的部分板件的 应力云图。由表可以看出 节点各部位的 应力中边桁箱形腹杆的腹板应力较大，达到 ；与该腹杆相连接的下弦杆的腹板上的 图主桥第联节点编号三主桁斜边桁空间桁架公铁两用桥节点局部应力分析李杰，陈淮，李谊修，刘建图 局部分析有限元模型表节点 相连杆件应力计算结果 板件部位局部分析 应力最大主应力最小主应力整体分析最大组合应力 中桁下弦杆顶板 腹板 底板 中桁下弦杆顶板 腹板 底板 边桁下弦杆顶板 腹板 底板 边桁下弦杆顶板 腹板 底板 中桁上弦杆顶板 腹板 底板 边桁上弦杆顶板 腹板 底板 中桁斜腹杆顶板 腹板 底板 中桁斜腹杆顶板 腹板 底板 边桁斜腹杆顶板 腹板 底板 边桁斜腹杆顶板 腹板 底板 图节点 局部分析 应力云图 应力也较大，局部达到 ；下弦杆的顶板 和 底 板 的 应 力 分 别 达 到 、，分布于腹板与顶、底板相交部位。节点 为支承部位，因此下弦杆件及斜腹杆多处于受压状态，最大压应力 ，位于边桁下弦 杆件的腹板与顶、底板交接附近；最大拉应力出现在中桁斜腹杆 与下弦杆交接区域。应力较大区域多位于斜腹杆与下弦杆件交接部位的各板件处，因此在桥梁设计、施工监控以及运营养护中，应重点关注这些部位，但板件上应力水平均未超过 钢材强度的限值。世界桥梁 ，（）由图也可以看出，斜边桁受力较竖平面内的中桁受力大，较大应力分布的区域较广；斜边桁下弦腹板、顶板和底板的应力满足 钢材强度的限值要求。与传统钢桁架采用相对较弱的斜撑杆件相比，斜边桁腹杆杆件刚度更大，对于上层公路桥面的支承能力也更强，同时传力更加明确。表中整体分析得到的下弦杆最大组合应力达到 ，而在局部分析得到的最大 应力达到 ，可见整体分析可以把握全局，但对诸如节点板杆件连接区域的极值应力计算不准，故对复杂部位应进行局部应力分析。局部分析模型边界条件施加的讨论基于圣维南原理进行局部应力分析的有限元模型边界处理，是把整体计算所得内力和位移作为局部切开处的外力和位移边界条件。但有些文献中仅将内力或者位移分别作为局部切开处的边界条件进行局部受力分析，所得出的局部分析结果是否可靠，有必要进一步分析。以下以圣维南原理局部分析的结果为准，分别讨论仅采用位移或者内力作为局部模型边界的可行性。为了方便对比，工况为圣维南原理分析结果，工况为将整体计算所得内力作为局部切开处的边界（边界元方式处理），工况为将整体计算所得位移作为局部切开处的边界，为了避免工况中杆件切开部位为自由端的问题，工况将局部模型切开位置先固定，然后施加整体计算所得位移作为局部切开处的边界。限于篇幅，仅以下弦杆件的 应力结果为例，对比结果见表。表不同工况的局部应力分析模型最大 应力工况下弦杆顶板应力 下弦杆腹板应力 下弦杆底板应力 中桁边桁中桁边桁中桁边桁平均误差 注：平均误差（工况所有应力结果）（工况所有应力结果）（工况所有应力结果），其中，。由表可以看出，仅以整体分析的变形作为局部模型的边界是不正确的，所得结果与利用圣维南原理得到的结果偏差很大，误差达到 ，这说明整体模型切开后直接以杆件自由端施加整体分析的位移，以此模型进行局部应力分析与实际结构力学状态相差很大；而仅以整体分析的内力作为局部分析模型的边界，计算结果有一定的偏差，误差为 ；将局部模型切开位置先固定，然后施加整体计算所得位移作为局部切开处的边界，与工况计算结果接近，误差为 。对于局部模型边界的施加，分析软件具体处理的方式不同（整体分析的内力作为切开部位外力直接施加，而整体分析的位移可采用边界元或者强制位移的方式处理）。可见仅以整体分析的变形或者内力作为局部模型边界进行局部分析是不正确的或者有一定误差，正确的处理方式应当严格按照圣维南原理的要求进行边界条件施加。结论（）整体分析可以把握全局，但对复杂部位应力分布，特别是极值应力的分析有偏差，应进行局部应力分析。（）郑州黄河公铁两用桥主桥第联 节点构造复杂，应力较大，在荷载组合仅考虑主力组合情况下，箱形腹杆一侧应力较大；与该腹杆相连接的下弦杆腹板上的 应力也较大。节点 为支承部位，因此下弦杆件及斜腹杆多处于受压状态；最大拉应力出现在中桁斜腹杆 与下弦杆交接区域。应力较大区域多位于斜腹杆与下弦杆件交接部位，这些部位的板件在桥梁设计、使用运营以及管理养护中，应当重点关注。（）仅以整体分析的变形或者内力作为局部模型边界条件进行局部分析误差非常大，应当严格按照圣维南原理的要求，把整体计算所得内力和位移作为局部切开处的外力和位移边界条件。参考文献：肖海珠，高宗余郑州黄河公铁两用桥主桥结构设计铁道勘察，（）：孙英杰，肖海珠，徐伟郑州黄河公铁两用桥施工控制关键技术研究桥梁建设，（）：高宗余郑州黄河公铁两用桥技术创新桥梁建设，（）：杨梦纯郑州黄河公铁两用桥连续钢桁梁悬臂拼装关键技术桥梁建设，（）：靳飞京沪高速南京大胜关长江大桥节点受力性能研究（硕士学位论文）长沙：中南大学，黄炎局部应力及其应用北京：机械工业出版社，叶梅新，蒋彪混合型自锚式悬索桥连接部位传力研三主桁斜边桁空间桁架公铁两用桥节点局部应力分析李杰，陈淮，李谊修，刘建究铁道科学与工程学报，（）：谢肖礼，彭文立，秦荣圣维南原理在钢管混凝土拱桥分析中的应用中国公路学报，（）：陈政清，杨群，李寿英，等钢管混凝土拱桥管节点有限元分析钢结构，（）：陈海兵，曾国良，陈明芳混合梁斜拉桥钢混结合段的局部应力分析公路工程，（）：方庚明，王波基于先整体后局部分析方法的城市立交桥异形块受力分析华东公路，（）：张敏，叶梅新，靳飞京沪高速南京长江大桥结点受力性能分析铁道科学与工程学报，（）：陈毅明，谭永高，吴游宇四渡河大桥钢桁梁节点板局部应力分析桥梁建设，（）：钱竹三主桁连续钢桁拱桥整体节点应力分布规律与构造研究（硕 士 学 位 论 文）长 沙：中 南 大 学，（编辑：穆卓辉），（，）：，（），：；，世界桥梁 ，（）