南水北調應急段生產橋上部結構整體計算分析

□文/狄 嫻

南水北調應急段生產橋上部結構整體計算分析

□文/狄 嫻

南水北調應急段生產橋結構為下承式系桿拱橋，橋梁跨度大、寬度窄，拱結構高，受力情況較特殊。文章利用軟件建立空間有限元模型，對橋梁整體結構進行計算分析，從橋梁整體強度、剛度和穩(wěn)定性各方面進行驗算并分析計算結果，使其符合相關規(guī)范要求，為設計工作提供依據。

下承式；系桿拱橋；位移；屈曲分析

南水北調應急段生產橋梁之一，跨越南水北調河渠，由于是生產橋，豎向活載基本由小型生產機具產生，載荷較小，但橋梁跨度大、寬度窄，拱結構高，受風載荷影響大，橫向受力影響可能大于豎向活載影響，情況較特殊。利用軟件建立空間有限元模型，對橋梁整體結構進行計算分析，為施工圖設計提供指導依據，進而達到使施工圖更合理更優(yōu)化。

1 工程概況

本橋結構為下承式系桿拱橋，全長85m，全寬6.8 m，行車道凈寬4.5m，拱高17m。橋面系由混凝土縱橫梁與混凝土橋面板構成，拱肋為2道混凝土箱形拱?？v橋向吊桿間距5m，全橋32根吊桿，兩拱間共設6根風撐。

橋面設置2道縱梁，截面為1.15m×0.75m，每根縱梁內設置2根系桿與拱肋連接，每根系桿由27根無粘結環(huán)氧噴涂預應力鋼絞線UPS15E組成。由于橋梁橫向相對較窄，將防撞護欄與縱梁澆筑成一體，增強構件的受力性能。為減輕重量，2道拱肋設計為中空的箱形截面，截面尺寸為1.4m×0.8m，腹板厚0.15m，頂?shù)装搴?.2m。風撐截面為1m×0.6m。吊桿采用PES(FD)7-19低應力防腐索體。具體橋梁布置圖1。

圖1 橋梁布置

2 基本設計資料

2.1 載荷標準

車道載荷公路－Ⅱ級；風載荷按當?shù)鼗撅L速及風壓，拱結構風力1.5kN/m2，縱梁2kN/m2；主梁的上下緣正溫差為16.4℃，負溫差為8.2℃；橋梁整體升溫34℃，整體降溫10℃。

2.2 材料性能

1）系桿。預應力鋼絞線采用φs15.20mm高強低松弛預應力鋼絞線，標準強度fpk=1860MPa，E=1.95×105MPa。

2）吊桿。采用平行鋼絲束，標準抗拉強度1670MPa。

3 計算過程

3.1 結構簡化

拱肋結構、拱間風撐及橋面系均模擬為梁單元，為保證拱結構連續(xù)性，未模擬拱內實體隔板，實體隔板重量作為節(jié)點載荷加在拱上。橋面系模擬為縱橫梁結構，橋面板的重量及鋪裝重量作為梁單元載荷加在虛梁上。

縱梁上防撞護欄重量作為梁單元載荷加在縱梁上，吊桿及縱梁內系桿模擬為只受拉的桁架單元。

3.2 邊界條件

支座模擬為1個固定支座，1個約束橫橋向位移的單向支座，2兩個雙向支座，見圖2和圖3。

圖2 空間有限元模型

圖3 邊界約束

3.3 輸出結果

個別構件部位風載荷所引起的結構效應已超過汽車載荷成為主導效應，因此承載極限組合分為以風載荷為主的承載極限組合1及以汽車載荷為主的承載極限組合2，取其最不利工況，見表1和表2。

表1 承載極限組合1

表2 承載極限組合2

正常使用中的短期和長期效應，按JTGD60—2004《公路橋涵設計通用規(guī)范》相關規(guī)定取用。

1）支座反力。標準組合反力見圖4和圖5。

圖4 豎向反力

圖5 橫向反力

2）各構件內力。以拱肋為例，承載極限內力見圖6-圖9。

圖6 承載極限組合彎矩My

圖7 承載極限組合彎矩Mz

圖8 承載極限組合扭矩Mx

圖9 承載極限組合剪力Fz

其他各部位承載極限組合內力值見表3。

表3 橋梁其他構件內力

根據以上反力內力值，進行各構件截面配筋及強度驗算，滿足規(guī)范要求即可。

3）吊桿拉力。不同工況下吊桿拉力見圖10和圖11。

圖10 吊桿標準組合最大拉力

圖11 吊桿標準組合最小拉力

根據彈性組合情況，吊桿最大應力364MPa，安全系數(shù)為4.5，內力幅為82kN，應力幅為112MPa，小于規(guī)范規(guī)定的200MPa，滿足要求。

4）位移結果。不同工況下橋梁位移見圖12和圖13。

圖12 成橋狀態(tài)豎向位移

圖13 活載工況豎向位移

活載作用下最大豎向位移為49mm，小于規(guī)范L/400=212.5（mm），滿足規(guī)范要求。

5）屈曲分析。橋梁各階曲屈變形及安全系數(shù)見圖14-圖 16。

圖14 一階屈曲安全系數(shù)

圖15 二階屈曲安全系數(shù)

圖16 三階屈曲安全系數(shù)

一階屈曲安全系數(shù)為187，遠大于4，滿足相關規(guī)范要求。

4 結論

由上述結果可知，主橋整體上部結構的強度、剛度和穩(wěn)定性均滿足相關規(guī)范要求。各構件可根據相關計算結果進行設計，使其滿足相關規(guī)范要求即可。

U442

C

1008-3197（2014）02-54-03

10.3969/j.issn.1008-3197.2014.02.022

2013-11-06

狄 嫻/女，1980年出生，工程師，天津市市政工程設計研究院賽英工程建設咨詢管理有限公司，從事橋梁設計工作。