水门大桥

• 拱圈外型研究

• 线性和非线性屈曲分析

• 结构的整体建模和连接部位的局部建模

水门大桥位于爱尔兰的Meath县的Trim，横跨Boyne河。将建新的水门大桥，以替代现有的复合多跨结构，自1992年以来，该桥就险载5t，且一直处于不良状态。设计师 Roughan和O’Donovan 使用LUSAS Bridge进行初步设计和结构选型等阶段的分析，分析内容包括上部结构的线性和几何非线性屈曲分析，复杂节点的局部分析等。*终提交给Meath县委会的设计结果，是一个具有里程碑意义的现代结构，是当地的又一文化财产。

概述

新的水门大桥是一个抛物线型的矮拱公路桥，其人行道是悬挑出的，跨径35m，拱肋截面为锥形五边形，用一对Macalloy吊杆与通用横梁相联，225mm厚的钢筋混凝土桥面板由通用圆柱型横梁和端横梁，同上部钢框架结构一起共同发挥作用。频发的洪水给现有的建于1904年的桥梁带来了严重的的影响。为了解决由于现有桥梁的三个宽桥墩及桥面系引起的上游洪水问题，要求新建桥梁一跨过河。

2D初步设计

初步设计阶段，采用LUSAS建立了2维梁单元模型，对多种拱肋截面、吊杆参数和截面尺寸等进行了分析研究。这些模型很快反映出了各种方案的优缺点。由于美学上的原因，*后选择的是矮拱加垂直吊杆的方案，而没有选择高拱的方案。然而，这意味着在拱肋和其它纵向构件上将会产生更大的弯矩，在拱肋之间也没法加横撑，因此要特别关注该桥的屈曲情况。

选择好拱肋类型以后，下一步是通过比较分析确定拱肋构件和纵向连续梁的相对截面尺寸，因为刚性拱肋将会减小桥梁系中的荷载效应。通过使用LUSAS中的截面库，该项工作会变得非常简单。影响线分析结果表明*不利的效应是由作用与四分之一跨处的集中荷载引起的。

初步设计阶段中*重要的一个环节是屈曲分析。英国设计规范BS5400第三部分提供了一个有关受压构件有效长度计算表，表中的数据比较保守，但该规范允许设计师通过弹性屈曲分析确定有效长度。于是，用LUSAS计算出了**阶屈曲模态，得到了响应的有效长度和临界屈曲荷载。

3D详细分析

基于三维梁单元模型，进行了一完整的弹性分析，桥面板用厚壳单元进行模拟。对活载、温度荷载和拱肋上的遭受碰撞等效应都进行了分析。分析结果表明系梁中的张拉力由混凝土复合桥面系承担，因此梁的尺寸可减小，同时需要在桥面系上增加加劲钢以承担张拉应力。这中处理方法使得桥面系与系梁成为一个整体，主梁的扭转刚度得到了增强。

一般认为用平面模型进行线性屈曲分析会过高地估计了临界屈曲荷载，因此用准确模拟了端部固定的三维模型重新进行了屈曲分析。通过几何非线性屈曲分析研究了安装桥面系引起的二次效应。从所考虑的荷载工况来看，沿全跨均布荷载会使拱肋的横向位移达到**。由三维线性和非线性分析所得到的有效长度非常接近，分别为12.7m和12.5m。基于上述的分析结果，确定用于该钢结构的允许压应力为212Mpa。

局部模拟

在用三维梁单元对各个构件进行设计分析的同时，需要用更细致的局部模型进行复杂部位的应力分析，如位于支座上的拱梁连接点、拱肋与吊杆连接点等。将从三维整体模型中导出的力和弯矩施加于局部分析模型，可方便求得这些连接部位的正应力和剪应力的分布，还能得到*经济的焊接尺寸。

结构工程师David Doyle说：“从构件初步尺寸拟定，到复杂部位的详细分析，LUSAS应用于整个设计之中。它有助我们为客户设计经济、优美的结构."

David Doyle, Structural Engineer, Roughan & O’Donovan