整体节点刚度对钢桁梁桥受力性能的影响

高 强， 黄天立， 陈 龙， 冯锡良

(1. 中南大学 土木工程学院， 湖南 长沙 410075； 2. 中铁二局四工程有限公司， 四川 成都 610306)

钢桁梁桥具有构造简单、强度高、自重轻、施工速度快等优点，被广泛应用于桥梁建设。钢桁梁整体节点，即将节点板与一端的弦杆焊接成为一个整体，其主桁节点板成为弦杆的一部分，已广泛应用于钢桁梁桥设计[1～3]。与传统的散拼节点相比，整体节点在节点应力分布、工地拼装工作量等方面都体现了优势。20世纪90年代，我国第一次采用焊接整体节点和节点外拼接技术建成京九线孙口黄河大桥，随后建成的芜湖长江大桥、四渡河大桥、东新赣江特大桥、郑新黄河大桥以及在建的沪通长江大桥等均采用了整体节点技术[4～8]。

目前，在对钢桁梁桥进行有限元分析和设计时，仍常常偏于简单的将整体节点视为简单铰接或刚接，整体节点刚度对钢桁梁桥受力性能的影响值得进一步研究。国内外学者针对整体节点刚度对钢桁梁桥受力性能的影响进行了一些研究。如国外学者Raul Zaharia等[9]通过试验研究，提出了节点刚度的理论计算公式。程斌等[10,11]以典型 Warren桁架为研究对象，分析了节点刚域对杆件次应力分布的影响规律，并对整体节点优化做了一些研究。黄永辉等[12]研究了节点刚度对钢桁梁桥动静力特性的影响。刘海峰等[13]计算分析了节点刚度对输电塔受力的影响。盛兴旺等[14]对榕江特大桥分别建立了常规梁单元模型、多尺度模型和带刚臂梁单元模型，对比分析后指出带刚臂梁单元模型可作为模拟节点刚度的一种简便方法。

综合国内外研究可以看出，在钢桁梁桥有限元分析中，整体节点的刚度处理方法主要有三种：主从节点法、刚性材料法[15]和带刚臂空间梁单元法[16]。主从节点法使得节点刚性域不能发生转动，从而过高地模拟了节点刚性域的刚度；刚性材料法建模工作量较大；带刚臂空间梁单元法最为简便高效。

应该指出，目前关于整体节点刚度对钢桁梁桥受力性能影响的研究多基于桥梁的成桥状态，而针对整体节点刚度对钢桁梁桥施工阶段受力性能的影响研究工作较少。然而，在施工状态下，桥梁结构所处工况繁多，某些最不利工况下，结构受力可能比成桥状态更为不利；另外，在施工状态下，需对桥梁结构线形进行连续监控和调整，这与成桥状态有所不同。基于此，本文以蒙华重载铁路跨平汝高速大桥64 m钢桁梁桥为工程背景，分别建立节点铰接、节点刚接和考虑节点刚度影响的带刚臂空间梁单元有限元模型，对比分析三种有限元模型情况下，该钢桁梁桥拖拉施工全过程的受力性能，探讨整体节点刚度对钢桁梁桥拖拉施工过程受力性能的影响。

1 工程背景

蒙华铁路跨平汝高速大桥全长210.705 m，设置5墩2台，桥跨布置为1×24 m简支T梁+1×64 m钢桁梁+1×32 m简支T梁+3×24 m简支T梁。线路在1#、2#墩之间跨平汝高速设计为1×64 m钢桁梁，钢桁梁为单线整体节点平行弦三角桁架下承式简支钢桁梁，计算跨度64 m，梁全长66 m，其中两端支座中心线至梁端距离1 m，节间长度为12.8 m，桁高12.8 m，主桁中心距8.5 m。钢桁梁桥结构示意如图1所示。

图1 钢桁梁桥结构示意/mm

2 建立模型及分析计算

2.1 有限元模型

针对该64 m钢桁梁桥，采用MIDAS/CIVIL有限元分析软件分别建立了节点铰接、节点刚接和考虑节点刚度影响的带刚臂空间梁单元三种有限元模型。图2分别给出了节点铰接、节点刚接和带刚臂三种整体节点处理方式的力学示意图。

图2 整体节点力学示意

三种有限元模型中，桁架杆件均采用MIDAS/CIVIL一般梁单元模拟，通过释放梁端约束达到节点铰接效果，如图2a所示；节点刚接则可以直接由一般梁单元实现，如图2b所示；通过施加梁端刚域将一般梁单元转变为带刚臂空间梁单元，如图2c所示。图3给出了节点刚接的全桥有限元模型，包括拖拉施工过程中所需要的导梁部分。

图3 节点刚接全桥有限元模型

2.2 模型分析计算

针对该跨平汝高速64 m钢桁梁桥，研究共考虑了18个施工阶段，如表1所示。限于篇幅，本文仅选取两个典型施工状态进行分析。施工状态1：主桁杆件内力最大施工状态，此时全桥临时支撑情况如图4所示。施工状态2：钢桁梁拖拉就位，此时全桥临时支撑情况如图5所示。

表1 钢桁梁拖拉施工过程工况划分

图4 施工状态1全桥临时支撑示意

图5 施工状态2全桥临时支撑示意

3 计算结果分析

针对两种典型的施工状态，考虑节点铰接、节点刚接和带刚臂空间梁单元三种有限元模型，分别计算分析了钢桁梁桥各杆件端部内力、组合应力以及结构的整体位移响应。需要说明的是，文中组合应力均指轴力产生的应力与弯矩产生的应力的组合。为方便识别杆件端部位置，以杆件A1E0为例，A1端表示为A1E0，E0端表示为E0A1。

3.1 杆件端部内力计算结果分析

由于E4，A5节点所连接杆件端部内力相对其他杆件较大，限于篇幅，本文仅选择这些杆件进行分析。计算结果如图6～8所示。

由图6可以看出，三种模型中各杆件端部轴力值分布规律相同，且轴力值相差很小。施工状态1时，三种模型轴力值最大相差9%(除临时支撑点E4右侧E4E4′，E4′E4杆件端部相差约35%外)；施工状态2时，三种模型轴力值最大相差7%。

由图7可以看出，三种模型中各杆件端部剪力值分布规律基本一致。施工状态1时，节点铰接模型的杆件端部剪力值相对较大(除靠近临时支撑点E4的E4E4′，E4E2杆件端部的带刚臂空间梁单元模型较大外)，三种模型剪力值最大相差约44%；施工状态2时，也是节点铰接模型的杆件端部剪力值相对较大(除E4E4′，E2E4杆件端部的带刚臂空间梁单元模型较大外)，三种模型剪力值最大相差约36%。

由图8可以看出，两种模型中各杆件端部弯矩值分布规律基本一致，但带刚臂空间梁单元模型的杆件端部弯矩值比刚接模型大的多。施工状态1时，两种模型弯矩值相差32%～63%(除E4′E4杆件端部相差89%外)；施工状态2时，两种模型上弦及腹杆弯矩值相差5%～46%、下弦杆弯矩值相差60%～91%。

图6 各模型杆件端部轴力对比

图7 各模型杆件端部剪力对比

图8 各模型杆件端部弯矩对比

综合图6～8对比分析结果可知，整体节点刚度对钢桁梁施工阶段的杆件轴力影响不大，可以不予考虑；在钢桁梁拖拉施工阶段，由整体节点刚度引起的杆件端部次弯矩非常显著，这对杆件受力十分不利，应予以重视。

3.2 组合应力计算结果分析

针对两种典型的施工状态，考虑节点铰接、节点刚接和带刚臂空间梁单元三种有限元模型，分别计算各杆件端部组合应力，计算结果如图9～11所示。

由图9可以看出，三种模型中上弦杆的杆件端部组合应力值分布规律基本一致，但带刚臂空间梁单元模型的应力值比其他两个模型大的多，应力大小大致为带刚臂空间梁单元模型>节点刚接模型>节点铰接模型。施工状态1时，铰接模型与带刚臂空间梁单元模型应力值最大相差69%，刚接模型与带刚臂空间梁单元模型应力值最大相差30%；施工状态2时，铰接模型与带刚臂空间梁单元模型应力值最大相差36%，刚接模型与带刚臂空间梁单元模型应力值最大相差24%。

图9 各模型上弦杆的杆件端部组合应力对比

图10 各模型下弦杆的杆件端部组合应力对比

图11 各模型腹杆的杆件端部组合应力对比

由图10可以看出，三种模型中下弦杆的杆件端部组合应力值分布规律基本一致，但带刚臂空间梁单元模型的应力值比其他两个模型大的多，应力大小大致为带刚臂空间梁单元模型>节点刚接模型>节点铰接模型。施工状态1时，铰接模型与带刚臂空间梁单元模型应力值最大相差97%，刚接模型与带刚臂空间梁单元模型应力值最大相差52%；施工状态2时，铰接模型与带刚臂空间梁单元模型应力值最大相差55%，刚接模型与带刚臂模型应力值最大相差31%。

由图11可以看出，三种模型中腹杆的杆件端部组合应力值分布规律相同，但带刚臂空间梁单元模型的应力值比其他两个模型要大，应力大小大致为带刚臂空间梁单元模型>节点刚接模型>节点铰接模型。施工状态1时，铰接模型与带刚臂空间梁单元模型应力值最大相差79%，刚接模型与带刚臂空间梁单元模型应力值最大相差24%；施工状态2时，铰接模型与带刚臂空间梁单元模型应力值最大相差70%，刚接模型与带刚臂空间梁单元模型应力值最大相差18%。

综合图9～11对比分析结果可知，整体节点刚度对施工阶段杆件端部组合应力影响显著，其中受弯构件的杆件端部组合应力受节点刚度影响最为显著，桥梁施工阶段对应力进行监控时，应充分考虑整体节点刚度的影响。

3.3 位移计算结果分析

针对两种典型的施工状态，考虑节点铰接、节点刚接和带刚臂空间梁单元三种有限元模型，分别计算结构位移。文中仅对主桁上弦节点的挠度计算结果进行分析，计算结果如图12所示。

图12 各模型主桁上弦节点的挠度对比

由图12可以看出，三种模型中主桁上弦节点的挠度值分布规律相同，且挠度值相差很小，挠度值大小呈现出带刚臂空间梁单元模型<节点刚接模型<节点铰接模型的规律。带刚臂空间梁单元模型与刚接模型的挠度值在两种施工状态下相差均不超过2%；带刚臂空间梁单元模型与铰接模型的挠度值在两种施工状态下相差均不超过8%。由此可见，整体节点刚度对钢桁梁施工阶段的挠度影响不大，可以不予考虑。

4 结 论

本文以蒙华重载铁路跨平汝高速64 m钢桁梁桥为工程背景，针对其拖拉施工过程中的两种典型施工状态，分别建立了节点铰接、节点刚接和带刚臂空间梁单元3种有限元模型，对比分析了钢桁梁在两种施工状态下的内力、组合应力及挠度。研究表明：整体节点刚度对施工阶段钢桁梁的杆件轴力和挠度影响不大；对钢桁梁的杆件端部组合应力和杆件端部次弯矩影响很大，其中对受弯构件的影响最为显著。因此，在钢桁梁桥拖拉施工过程中，应充分考虑整体节点刚度对钢桁梁桥受力性能的影响。