東營市北外環(huán)橋少背索斜拉橋總體靜力計(jì)算分析

馬蕊

東營市北外環(huán)橋少背索斜拉橋總體靜力計(jì)算分析

馬蕊

（1.同濟(jì)大學(xué)，上海200086；2.中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，武漢430010）

摘要本文以東營市北外環(huán)橋?yàn)槔?，詳?xì)介紹少背索斜拉橋受力特點(diǎn)，并通過有限元靜力模型計(jì)算，分別對(duì)橋梁的撓度、應(yīng)力、索力和穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值分析，得到少背索斜拉橋總體靜力計(jì)算結(jié)果。

關(guān)鍵詞少背索斜拉橋自平衡受力

1　引言

少背索斜拉橋介于常規(guī)斜拉橋和無背索斜拉橋之間，是一種主跨通過斜拉索傳遞到主塔上的作用力與邊跨拉索和傾斜的主塔自重相平衡，主塔塔腳彎矩基本為零的自平衡體系。橋梁施工過程的精確模擬計(jì)算對(duì)橋梁安全施工起著關(guān)鍵性作用。模擬計(jì)算是通過選取合理模型，采取有效的斜拉橋結(jié)構(gòu)施工階段分析方法，對(duì)橋梁的施工過程和成橋狀態(tài)進(jìn)行一定精確度的模擬分析，進(jìn)而控制斜拉索初始張拉力，使得斜拉橋的線型和受力滿足要求，確保了該橋在成橋后線型美觀，受力性能滿足要求。

2　工程概況

北外環(huán)橋主墩中心樁號(hào)為K0+743.286，主橋主跨采用鋼箱梁，梁高3m，邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁，平直段梁高3m，漸變段梁高從3m漸變至3.5m，全長185m，跨徑布置為45m+140m?；炷吝吙绻灿?jì)10種橫梁，端橫梁寬5.75，高5.5m，中橫梁寬5.1m，余每隔4m設(shè)置一道橫梁，橫梁寬0.3m或0.35m。橋梁立面圖見圖1。

主橋采用雙主梁結(jié)構(gòu)，主跨鋼箱梁采用Q345qD級(jí)鋼，主橋邊跨為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，采用C55混凝土，縱、橫向預(yù)應(yīng)力采用高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，端橫梁和鋼混結(jié)合段部分采用JL32精軋螺紋粗鋼筋。鋼主塔采用Q345qD和Q370qD級(jí)鋼，部分下塔柱灌注C40微膨脹混凝土，塔腳采用C55混凝土，塔腳內(nèi)設(shè)置12Φs15.2預(yù)應(yīng)力索。主跨拉索采用PESFD7-121型彩色護(hù)套拉索，邊跨拉索采用PESFD7-211型彩色護(hù)套拉索，四根并一根。

橫斷面布置：34m=2.25m（拉索區(qū)）+2.75m（人行道道）+11.5m（車行道）+1m（中央隔離墩）+11.5m（車行道）+2.75m（人行道道）+2.25m（拉索區(qū)）。橋梁橫斷面圖見圖2。

圖1　橋梁立面布置圖 （單位：m）

圖2　橋梁斷面布置圖 （單位：m）

3　技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和荷載組合

3.1技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）結(jié)構(gòu)恒載

一期荷載包括主跨鋼箱梁按實(shí)際重量加載，邊跨預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)按實(shí)際重量加載，橫梁按集中荷載的形式加載。

二期荷載：計(jì)算按車行道鋪裝8cm環(huán)氧瀝青，人行道3cm彩色瀝青。

防撞護(hù)欄（每道）4KN/m，人行道欄桿（每道）2.3kN/m。

（2）車道荷載

按雙向六車道取最不利組合，考慮多車道橫向折減以及汽車沖擊力制動(dòng)力。

城-A級(jí)車道荷載：均布荷載qk=10.5kN/m，集中荷載Pk=360kN。

（3）人群荷載

人群荷載按《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ11-2011）取用。

（4）溫度荷載

整體溫差：整體升溫30℃，整體降溫36℃。

梯度溫度：主跨鋼結(jié)構(gòu)按英國《BS5400規(guī)范》取值，邊跨預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》取值。

斜拉索與主梁、主塔的溫差按《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》取值。

（5）基礎(chǔ)變位

不均勻沉降2cm。

（6）風(fēng)荷載

按《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG/TD60-01-2004取值。

（7）混凝土收縮、徐變

按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》JTGD62-2004取值。

（8）抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：地震動(dòng)峰值加速度為0.1g，抗震設(shè)防烈度為7度。

（9）通航要求：規(guī)劃5.5x80m，河道通航水位4.0m。

（10）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100年。

（11）設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)。

（12）環(huán)境類別：場地類別為Ⅲ類，環(huán)境作用等級(jí)為C級(jí)。

3.2荷載組合

（1）主跨鋼結(jié)構(gòu)

組合一（主力）：恒載（包含沉降）+活載（車道、人群）提高系數(shù)1.0；

組合二：主力+制動(dòng)力 提高系數(shù)1.25；

組合三：主力+風(fēng)力 提高系數(shù)1.2；

組合四：主力+溫度力+風(fēng)荷載（或者制動(dòng)力）提高系數(shù)1.45。

（2）邊跨混凝土結(jié)構(gòu)

組合五：標(biāo)準(zhǔn)值組合；

組合六：作用短期效應(yīng)組合；

組合七：作用長期效應(yīng)組合；

組合四：承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)基本組合。

4　計(jì)算模型

計(jì)算程序采用MIDAS/Civil軟件，計(jì)算模型主要采用梁單元和桁架單元，計(jì)算模型見圖3。

圖3　　計(jì)算模型

主梁和塔采用三維梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬。

5　計(jì)算結(jié)果

5.1結(jié)構(gòu)撓度

活載作用下，主梁結(jié)構(gòu)最大豎向位移為159mm＜140000/400=350mm，主塔結(jié)構(gòu)最大豎向位移為53mm＜140000/400=350mm，滿足《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第1.1.5條設(shè)計(jì)要求。

5.2支座反力

由表1可知，主力組合和標(biāo)準(zhǔn)值組合下，邊跨橋臺(tái)處支座未出現(xiàn)負(fù)反力。

5.3結(jié)構(gòu)應(yīng)力

（1）主跨主梁鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力

由表2可知，各組合主梁鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

表2　主梁鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力表

（2）邊跨主梁預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力

由表3可知，各組合主梁混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

表3　主梁混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力表

（3）主塔鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力

由表4可知，各組合主塔鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

表4　主塔鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力表

（4）拉索索力（見表5）

表5　拉索索力表

5.4整體穩(wěn)定性計(jì)算

為確保橋梁在施工階段以及運(yùn)營狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，通過建立空間有限元模型，采用特征值屈曲理論對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。其特征值屈曲荷載因子及其失穩(wěn)模態(tài)如下：

（1）成橋后穩(wěn)定性分析中，彈性屈曲穩(wěn)定分析結(jié)果見表6。

表6　彈性屈曲穩(wěn)定分析結(jié)果

（2）施工階段裸塔穩(wěn)定性分析中，彈性屈曲穩(wěn)定分析結(jié)果見表7。

表7　彈性屈曲穩(wěn)定分析結(jié)果

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出，結(jié)構(gòu)在恒載、恒載+跨中活載滿布穩(wěn)定安全系數(shù)分別為32.4和29.2；施工階段裸塔工況穩(wěn)定系數(shù)為227.7，均大于4，表明結(jié)構(gòu)具有足夠的穩(wěn)定安全性。

6　結(jié)語

（1）少背索斜塔斜拉橋設(shè)計(jì)與施工中，嚴(yán)格控制斜塔的位移和內(nèi)力及拉索索力的調(diào)整是全橋的關(guān)鍵。

（2）少背索斜塔斜拉與一般斜拉橋相比，活載下變形較大，尤其是當(dāng)活載在總荷載比例較大時(shí)應(yīng)予以妥善處理。

參考文獻(xiàn)

［1］JTG/TD65-01-2007，公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則.北京：人民交通出版社，2007.

［2］GB50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范.北京：中國計(jì)劃出版社，2003.

［3］嚴(yán)國敏．現(xiàn)代斜拉橋，范立礎(chǔ)．橋梁工程（上冊），吳沖．現(xiàn)代鋼橋（上冊）［M］．北京：人民交通出版社，2006.