1、某商业钢连桥结构设计 王泽 罗佑新 马瑞嘉 曹海明 中国中元国际工程有限公司 北京中外建工程管理有限公司 摘 要： 本文介绍了某商业钢连桥结构设计和分析过程。通过对其强度, 刚度及舒适度的计算分析, 得到合理的桥身结构选型。通过对树形柱根部球节点的有限元分析, 确保节点有足够的承载能力。介绍了树形柱端与桥身销轴连接的计算及构造, 并通过增加联系梁, 使设计符合初始边界条件的假定。保证整个结构设计安全可靠。关键词： 钢连桥; 舒适度; 树形柱; 有限元; 1 工程简介某地块商业金融项目, 位于北京丰台区, 北邻五圈路, 东邻国际汽车博览中心东路, 南邻五圈南路, 西邻国际汽车博览中心西路。该项目
2、由商业连廊、两座连桥、展厅入口组成。其中连桥长 48 米, 高 6.8 米;桥面宽度 5.3m;柱中心至悬挑端距离为 10.8m, 中部跨度为 26.4m。树形柱端距悬挑端 8.8m, 树形柱中部跨度为 22.4m, 如图 1, 图 2 所示。2 结构设计为了保持连桥美观, 不在桥身设置排水点, 水流延桥体长向汇集到邻近建筑物组织排水。因此, 找坡面层较厚, 最厚处为 250mm, 最大恒荷载为 5KN/m, 考虑周边扶手及装饰造型的重量, 恒荷载输入值为 4KN/m6KN/m;活荷载:3.5KN/m。同时, 由于建筑美观及桥下需通行消防车的使用要求, 限制结构梁高不超过800mm, 跨中高跨
3、比为 1/30, 悬挑端为 1/10。基本风压 0.45KN/m, 地震烈度 8度, 场地分组二组 3 类如图 3。桥身的结构选型首先想到的是常用的梁板体系, 主要受力构件为三根截面为800x300x12x20 的箱型梁;整座桥面通过树形柱的 8 个支点支撑于底部圆柱上。树型柱截面为 450/300x30;底部圆柱截面为 1200x30 (如图 4) 。整个桥面最后仅由底部两根圆柱支撑, 所受荷载较大, 为了保持其具有足够的刚度及稳定性, 管内灌注 C40 无收缩自密实混凝土。利用 MIDAS8.36 进行结构计算分析, 结果如下。图 1 下载原图图 2 下载原图图 3 下载原图包络工况下,
4、应力比最大的构件为与树形柱端连接的箱型梁, 应力比为 0.597 (如图 5) 。在恒+活标准荷载工况下, 跨中部分竖向最大位移为:56.754mm, 挠跨比为 1/395, 不满足限值 1/400 的要求;悬挑端最大位移为 63.973mm, 挠跨比为 1/275 (计算时按规范要求取悬挑长度 2 倍) , 依然不满足规范 1/400 的要求 (图 6) 。通过计算可知强度较富裕, 但刚度需要起拱来满足限值要求。本工程连桥连接两端展厅商业及高端酒店, 人流量大, 且跨度较大, 在设计过程中不仅需要对强度和刚度进行有效控制, 更需要对连桥进行舒适度分析。根据楼板体系振动舒适度设计1 及高规2
5、的相关介绍, 人行天桥舒适度应满足如下要求:室内人行天桥与室外人行天桥控制标准的差别主要由于周围环境的差异所造成人对振动敏感程度的不同。室内较为安静, 行人更容易受到振动的影响, 室外较为嘈杂, 行人对舒适性的敏感程度会有所降低。本工程连桥虽然为室外连桥, 但三面均为建筑物, 且位于同一建筑群内, 处于较为封闭的状态;连接的商业展厅与酒店规格较高, 因此此处以室内人行天桥控制标准为依据来设计。图 4图 5 下载原图图 6 下载原图图 8 下载原图图 9 下载原图图 1 0 下载原图图 1 1 下载原图图 1 2 下载原图图 1 3 下载原图图 1 4 下载原图图 1 5 下载原图图 1 6 下
6、载原图图 1 7 下载原图图 7 下载原图当第阶荷载频率与楼板竖向自振频率相等或相近时, 楼板振动最大, 荷载可以表示为楼板体系的第一阶自振频率对应的能量最大, 在振动舒适度分析时, 楼板体系的第一阶竖向自振频率是最重要的。随着共振频率的增大, 其对应的能量逐渐减小。为了更准确计算桥面体系动力响应, 采用有限元分析法, 考虑前三节行走荷载的影响, 荷载函数可表示为:恒荷载取面层及自重, 与静力计算取值相同;对于连桥, 附加活荷载很小, 所以不考虑附加活荷载的影响。阻尼比取 0.01。利用 MIDAS.GEN.6.36 对结构进行模态及时程分析。计算结果如下:上图为跨中最不利点计算结果。通过对结
7、构进行模态分析, 得到跨中第 1 竖向自振周期为 0.3138s, 第 1 自振频率为 3.1867HZ, 最不利点为 2368 点, 如图所示。将第 1 自振频率值带入荷载函数得到人连续行走激励荷载, 在最不利点施加节点动荷载, 进行时程分析, 得峰值加速度为:0.1142m/s, 即 0.0114g, 自振频率与峰值加速度都接近规范限值要求。悬挑端第一竖向自振周期为 0.2865s, 第一自振频率为 3.4904HZ, 最不利点为2375 点, 如图所示。人走路的频率在 1.63.2HZ 范围内, 因此激发楼板竖向共振的频率应为 1.7452HZ, 计算得峰值加速度为:0.2844m/s,
8、 即 0.02844g。频率满足要求, 加速度峰值已超限值要求 0.015g。为了满足连桥舒适度的要求, 需加大连桥刚度或减小连桥质量。为了充分利用桥面宽度, 将桥身设计为宽度为 5300mm 的箱形腔梁, 中部设置加劲肋, 以满足宽厚比要求, 减小板厚。利用壳单元建立模型, 壳厚度为 16mm, 下部竖向构件与前相同, 如图 12, 图 13。计算结果如下:桥面最大应力为 139.86MPa, 为支座附近加筋肋, 应力水平较低 (如图 14, 图15) 。在恒+活标准荷载工况下, 跨中部分竖向最大位移为:15.503mm, 挠跨比为1/1449 (如图 16) ;悬挑端最大位移为 10.30
9、8mm, 挠跨比为 1/854 (计算时按规范要求取悬挑长度 2 倍, 如图 17) 。挠跨比满足规范要求, 刚度显著增大。悬挑端第一竖向自振周期为 0.1470s, 第一自振频率为 6.8027HZ, 最不利点为2778 点, 如图 18。激发竖向共振的频率应为 2.2676HZ, 在最不利点 2359 点施加时程荷载, 计算得此频率激励下, 楼板峰值加速度为:0.0881m/s, 即0.0088g (如图 19) , 频率与加速度限值都满足规范要求。跨中最不利点自振频率远大于 3HZ, 不必要进行加速度峰值验算。3 关键节点设计3.1 树形柱球节点由于整个桥面通过树形柱传递给下部钢管混凝土
10、柱, 保证树形柱根部的节点传力可靠对于整个桥体的安全至关重要。树形柱根部构造如图 20、21 所示:四根树形柱通过一个半球节点连接于下部钢管混凝土柱, 沿四支分叉方向设置两道拱性加劲肋, 用来传递树形柱的轴力以及加强球节点刚度。在球节点与下部柱连接处及拱形加劲肋底部设置两道水平加劲肋, 中部开洞, 使混凝土浆体可到达球节点顶部, 并开适量排气孔, 如图 20。MIDAS 计算模型读取树形柱计算结果为轴力 970KN, 树形柱两个方向弯矩分别为 260KN.M, 170KN.M。使用Abaqus6.14-1 对球节点进行计算分析图 2 4 下载原图图 1 8 下载原图图 1 9 下载原图图 2
11、0 下载原图图 2 1 下载原图部图 2 2 下载原图图 2 3 下载原图图 2 5 下载原图图 2 6 下载原图计算结果显示树形柱根部节点应力最大值 133.7MPa, 最大应力比 0.50;球节点应力最大值 89.24MPa, 最大应力比为 0.37 (如图 21) 。树形柱端部应力水平较高是因为在端部建立了刚性面, 用于施加荷载, 出现了应力集中, 此处应力不具参考意义。此外, 内灌混凝土的主拉应力为 3.586MPa, 超过了 C40 混凝土的抗拉应力 1.71MPa, 混凝土会开裂 (如图 22) 。开裂后, 球节点将承受更大荷载, 因此需要验算球节点内不填充混凝土应力分布情况。如图
12、 23, 内部不填充混凝土时, 树形柱根部节点应力最大值 155.7MPa, 最大应力比 0.53;球节点最大值 155.7MP, 最大应力比 0.59。球节点强度满足要求。3.2 树形柱与桥身连接节点树形柱与桥身的计算假定为铰接连接, 且轴力接近 1000KN, 轴力较大, 选用销轴连接。图 24 所示为树形柱俯视图, 主耳板连接于桥面, 两块次耳板连接于树形柱顶端, 销轴方向平行于桥面宽度方向。主次耳板处均有加劲肋保持耳板的平面外稳定。连接桥身的主耳板开长圆孔释放温度应力。四根树形柱在柱顶以 XL 相连, XL作用详见四:XL (系梁) 作用。图 25, 图 26 为节点立面与剖面。销轴材
13、质采用 40Cr, 其抗拉强度为 1000MPa;屈服强度 800MPa;抗剪强度为其屈服强度的 0.50.7 倍, 此处取抗剪强度为 400MPa。经计算销轴抗剪, 抗弯, 抗压及组合应力后, 采用直径为 100mm 的销轴可满足要求。耳板材质均为 Q345B, 经计算耳板抗剪, 承压及劈裂破坏, 确定主耳板厚度为 50mm, 两块次耳板分别厚为 30mm, 40mm。4 系梁 (XL) 的作用进行连桥静力计算及抗震计算时, 树形柱与连桥的连接方式为铰接。原方案中Midas 模型铰接模拟方式为连桥与树形柱端共用节点, 直接相连, 并释放节点弯矩。此时连桥与树形柱无相对节点位移;树形柱的四枝虽
14、没有建立系梁连接, 实质上桥身的巨大刚度对树形柱有很强的拉结作用。使用销轴节点的实际情况为桥身与树形柱端由于销轴的节点做法而产生了 520mm 的高差, 且在节点高度中部由销轴铰接, 在竖向荷载作用下, 树形柱端与桥身会产生相对位移。同时由于中部销轴的存在, 实际中桥身对树形柱也没有拉结作用, 此时与模型假定不相符。系梁的作用即为替代桥身, 对树形柱进行拉结, 减小节点位移, 平衡部分由竖向荷载对树形柱产生的弯矩, 使实际做法与模型假设最大限度吻合, 整个设计成立。下图为按照节点实际高度建立模型, 上下耳板连接处铰接。计算结果如下:从上表看出, 2 与 1 相比, 由于销轴节点的做法与原方案假
15、设的不同, 对于树形柱内力分布有很大影响, 与原方案相比, 轴力减小, My 为原方案 5 倍, 若按此内力设计, 原球节点做法承载力不满足, 将会导致整个结构设计不成立;3 与2 相比可看出, 拉杆对于限制水平节点位移作用非常明显, 也能有效减小该方向弯矩;4 与 1 相比, 双向拉杆计算结果与原模型计算数值比较接近。按照 4 的内力符合球节点承载力, 满足要求。5 结语通过对钢连桥的强度, 刚度以及舒适度的计算, 选择了箱型腔梁作为桥身的结构方案。对于大跨钢连桥, 舒适度计算必不可少, 有时起控制作用;连桥舒适度不满足时, 可以减小自重或提高刚度, 必要时可加阻尼器;节点设计完成需核对是否与整体模型的边界条件假定相符, 若不相符, 需采取必要措施, 使其与原结构强度, 刚度等效, 否则将导致巨大安全隐患。参考文献1娄宇, 黄健, 吕佐超楼板体系震动舒适度设计, 科学出版社 2中华人民共和国行业标准, 高层建筑混凝土技术规程, JGJ3-2010, 中国建筑工业出版社 3中华人民共和国国家标准, 建筑抗震设计规范, GB50011-2010, 中国建筑工业出版社 4中华人民共和国国家标准, 建筑抗震设计规范, GB50017-2003, 中国建筑工业出版社
