公鐵兩用三索面斜拉橋結(jié)構(gòu)受力分析

馬馳，劉世忠

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730070)

公鐵兩用三索面斜拉橋結(jié)構(gòu)受力分析

馬馳，劉世忠

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州730070)

三索面三主桁斜拉橋主跨跨度630 m，為公鐵兩用斜拉橋結(jié)構(gòu)。鋼桁梁采用N字形桁架，橋塔為菱形加倒Y形混凝土結(jié)構(gòu)，塔高為225 m。為研究該橋結(jié)構(gòu)的受力，建立該橋密橫梁有限元模型，進(jìn)行合理成橋狀態(tài)模擬計(jì)算，分析各個(gè)工況下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。結(jié)果表明:斜拉索最大應(yīng)力為724 MPa，主桁豎向最大撓度為112.3 cm，梁端轉(zhuǎn)角為1.98×10－3rad，主桁橫向最大位移為4.8 cm。該橋在應(yīng)力、穩(wěn)定和剛度方面均滿足規(guī)范要求。

公鐵兩用斜拉橋 鋼桁梁 靜力分析 應(yīng)力 變形 有限元法

1 工程概況

某橋主橋?yàn)楣F兩用兩塔五跨鋼桁梁斜拉橋，跨徑布置為(90+240+630+240+90)m，主跨630 m，主梁采用飄浮體系，斜拉索采用鋼絞線斜拉索，采用菱形加倒Y形混凝土橋塔，塔高為225 m。斜拉橋總體布置示意如圖1。該橋下層為設(shè)計(jì)時(shí)速250 km鐵路雙線和設(shè)計(jì)時(shí)速160 km鐵路雙線共四線鐵路，上層為設(shè)計(jì)時(shí)速100 km的雙向六車道高速公路。每延米活載351 kN。1.1主桁

圖1 斜拉橋總體布置示意(單位:m)

該橋設(shè)計(jì)采用三索面三桁架斜拉橋結(jié)構(gòu)，鋼桁梁采用N字形桁架，3片主桁布置。總桁寬34.2 m，桁高15.5 m，節(jié)間長(zhǎng)15 m。考慮板桁共同作用，主桁上、下弦桿均采用箱形截面。斜桿和豎桿采用箱形或工字形截面。主桁采用鋼材Q370qd，節(jié)點(diǎn)采用焊接整體節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)外拼接。桁架結(jié)構(gòu)采用較大的截面尺寸和整體式的正交異性橋面板體系及密橫梁體系，有效地將局部荷載較均勻地分布到整體結(jié)構(gòu)中去。

1.2 橋塔和斜拉索

橋塔采用強(qiáng)度等級(jí)C50混凝土，箱形截面，塔身總高225 m。上塔柱在塔頂?shù)剿斠韵?2 m的區(qū)段內(nèi)順橋向?qū)挾染鶠?.6 m，再逐漸增大至塔底的16 m。橫橋向上塔柱橫向尺寸為11～21.2 m，中塔柱橫向尺寸為8 m，下塔柱橫向尺寸為8～14 m。

斜拉索對(duì)稱布置，采用抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa的鋼絞線，主梁上斜拉索間距均為15 m，塔上斜拉索錨固點(diǎn)的間距布置為4×4 m+14×2.5 m。

2 有限元計(jì)算

2.1 有限元模型

采用有限元分析軟件MIDAS建立由梁、桁單元組成的三維空間有限元模型，對(duì)橋面結(jié)構(gòu)采用了一定的簡(jiǎn)化，采用密橫梁模型進(jìn)行分析計(jì)算，除了在主桁節(jié)點(diǎn)處設(shè)置節(jié)點(diǎn)橫梁外，一般在節(jié)點(diǎn)之間增設(shè)2～4組節(jié)間橫梁。主桁、橫聯(lián)以及腹桿、橋塔等均采用直線梁?jiǎn)卧M，斜拉索采用桁架單元模擬。按照實(shí)際車道數(shù)目計(jì)入車道荷載作用。共計(jì)7 919個(gè)節(jié)點(diǎn)，11 084個(gè)單

元［1-3］。

主梁采用飄浮體系，在橋塔和主梁之間安裝阻尼裝置，以控制主梁在制動(dòng)力和地震力作用下的縱向位移。在各墩上設(shè)置豎向支座，橋塔上同時(shí)設(shè)置橫向支座限制主梁橫向位移。

2.2 計(jì)算荷載及荷載組合

2.2.1 計(jì)算荷載

1)該橋永久作用包括結(jié)構(gòu)一期恒載、二期恒載、斜拉索索力、混凝土收縮徐變和基礎(chǔ)變位;可變作用包括火車活載、汽車活載、溫度變化作用、制動(dòng)力或牽引力、風(fēng)荷載。

2)客車沖擊系數(shù)按《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10020—2009)中規(guī)定計(jì)算［4］，貨車沖擊系數(shù)按《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB 10002.1—2005)中規(guī)定計(jì)算［5］。6車道公路Ⅰ級(jí)，橫向折減0.5、縱向折減0.95，沖擊系數(shù)按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2004)中規(guī)定計(jì)算［6］。

3)汽車制動(dòng)力。根據(jù)英國(guó)規(guī)范BS5400，總制動(dòng)力按700 kN考慮，分布在中桁上，線荷載為0.543 kN/m。

4)客專制動(dòng)力為450×64×0.1=2 880 kN，分布在左邊最外側(cè)的車道中心線處，線荷載為2.233 kN/m。

5)貨車制動(dòng)力為50 000×0.1=5 000 kN，分布在右邊最外側(cè)的車道中心線處，線荷載為3.876 kN/m。

6)溫度變化的作用。體系溫差依據(jù)橋址處氣象資料，結(jié)構(gòu)各材料的升降溫為:混凝土±20℃，鋼+29℃～－37℃。構(gòu)件溫差依據(jù)《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D65-01—2007)中關(guān)于構(gòu)件間溫差的規(guī)定取為斜拉索±15℃、橋塔±5℃。

7)支座摩阻力。摩擦系數(shù)為0.05，根據(jù)恒載反力計(jì)算出相應(yīng)的摩阻力，再同溫度荷載相結(jié)合考慮。

8)特殊荷載。脫軌荷載較結(jié)構(gòu)承受的活載小，不控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。主橋兩端設(shè)置雙向軌道溫度調(diào)節(jié)器，不需考慮斷軌力。地震作用由抗震專題研究。

2.2.2 荷載組合

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2004)及《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB 10002.1—2005)的規(guī)定，主要考慮以下荷載組合［7-13］:

1)主力分為恒載(結(jié)構(gòu)重力、拉索拉力、收縮徐變、基礎(chǔ)變位等)、恒載+活載(0.75×四線鐵路+六車道公路)、恒載+活載(1.0+四線鐵路+六車道公路)三種工況。

2)主力+附加力分為主力+縱向風(fēng)力+制動(dòng)力、主力+橫向風(fēng)力、主力+橫向風(fēng)力+溫度力三種工況。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 主桁應(yīng)力

通過(guò)初步計(jì)算，得到結(jié)構(gòu)的成橋恒載(工況Ⅰ)下和成橋恒載+活載(0.75×四線鐵路+六車道公路) (工況Ⅱ)下索力。在此索力基礎(chǔ)上，計(jì)算得到主桁等主要構(gòu)件在兩種工況下的應(yīng)力，見(jiàn)表1。

成橋恒載+活載(0.75×四線鐵路+六車道公路)工況下，主桁上、下弦桿除中桁下弦在輔助墩處應(yīng)力為195 MPa外，其余均在150 MPa以內(nèi)，均能滿足規(guī)范要求。各工況下所有桿件的最不利部位強(qiáng)度均有較大的富余，保證結(jié)構(gòu)在整體受力過(guò)程中的穩(wěn)定安全。

3.2 斜拉索應(yīng)力

計(jì)算中取邊桁對(duì)應(yīng)的索面為邊索面，中桁對(duì)應(yīng)的索面為中索面，斜拉索在成橋恒載工況下和成橋恒載+活載(0.75×四線鐵路+六車道公路)工況下的應(yīng)力如圖2和圖3所示。斜拉索編號(hào):中跨是從橋塔至跨中為1～19，邊跨是從橋塔至邊跨端部為1～19。

圖2 成橋恒載工況

1)邊索面斜拉索應(yīng)力。成橋恒載工況下邊索面應(yīng)力最大值為544 MPa，最小值為463 MPa;成橋恒載+活載(0.75×四線鐵路+六車道公路)工況下邊索面應(yīng)力最大值為680 MPa，最小值為525 MPa。

圖3 成橋恒載+活載工況

2)中索面斜拉索應(yīng)力。成橋恒載工況下中索面應(yīng)力最大值為575 MPa，最小值為494 MPa;成橋恒載+活載(0.75×四線鐵路+六車道公路)工況下中索面應(yīng)力最大值為724 MPa，最小值為562 MPa。中索面斜拉索最大應(yīng)力是724 MPa，滿足規(guī)范小于0.4× 1 860=744 MPa要求。在同一工況同一橫斷面斜拉索中，中索面應(yīng)力全部高于邊索面應(yīng)力值，最大相差8%，中索面的斜拉索利用率高于邊索面的斜拉索。

斜拉索疲勞檢算時(shí)，疲勞荷載考慮與《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10002.2—2005)中要求一致。對(duì)于邊索面索力應(yīng)力幅，160 km/h雙線側(cè)最大值為124.3 MPa，最小值為47.8 MPa;250 km/h雙線側(cè)最大值為90.0 MPa，最小值為18.6 MPa。對(duì)于中索面索力應(yīng)力幅，最大值為96.2 MPa，最小值為40.4 MPa，滿足規(guī)范要求(＜250 MPa)。

3.3 結(jié)構(gòu)剛度

公鐵兩用大橋，尤其是鐵路部分在車輛高速行駛過(guò)程中動(dòng)荷載會(huì)較大，將使得結(jié)構(gòu)動(dòng)撓度比靜力狀態(tài)有較大的增加，因此對(duì)于結(jié)構(gòu)剛度的控制是必須的。通過(guò)全橋模型的仿真，對(duì)結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行計(jì)算。

1)在成橋恒載+活載(0.75×四線鐵路+六車道公路)工況下，主跨跨中最大撓度是87.7 cm，梁端轉(zhuǎn)角是1.6×10－3rad;在成橋恒載+活載(1.0×四線鐵路+六車道公路)工況下鐵路橋面的撓跨比為1/560，主跨跨中最大撓度為112.3 cm，梁端轉(zhuǎn)角是1.98× 10－3rad，滿足規(guī)范2×10－3rad的要求。

2)在成橋恒載+橫向風(fēng)力+整體升溫27℃工況下，跨中橫向最大位移是4.8 cm，規(guī)范要求小于630/ 4 000=0.15 m，滿足要求。在各種不利條件下，結(jié)構(gòu)各部分剛度及變形皆滿足要求，因此結(jié)構(gòu)總體剛度驗(yàn)算滿足要求。

此外，分析橋塔結(jié)構(gòu)受力行為，結(jié)果表明在各個(gè)靜力工況下，壓應(yīng)力最大值在下橫梁的各個(gè)截面處為最大，并且在這些工況下橫梁有較大的富余量。對(duì)該橋塔的穩(wěn)定性分析得出，三維橋塔的順橋向穩(wěn)定系數(shù)為6.189，橫橋向的穩(wěn)定系數(shù)為28.801，均大于4，滿足規(guī)范要求的穩(wěn)定系數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

1)在成橋恒載+活載(0.75×四線鐵路+六車道公路)工況下，主桁上下弦桿除中桁下弦在輔助墩處應(yīng)力為195 MPa外，其余均在150 MPa以內(nèi)，滿足規(guī)范要求。且各工況下各個(gè)桿件的最不利部位強(qiáng)度有較大的富余，可保證結(jié)構(gòu)在整體受力過(guò)程中的穩(wěn)定安全。

2)在成橋恒載工況和成橋恒載+活載(0.75×四線鐵路+六車道公路)工況下，邊索面斜拉索最大應(yīng)力是724 MPa，滿足規(guī)范(744 MPa)要求;斜拉索的應(yīng)力幅滿足規(guī)范要求(＜250 MPa)。

3)結(jié)構(gòu)整體剛度計(jì)算鐵路橋面的撓跨比為1/560，主跨跨中最大撓度為112.3 cm，梁端轉(zhuǎn)角是1.98×10－3rad，跨中橫向最大位移為4.8 cm，均滿足規(guī)范要求。

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(責(zé)任審編趙其文)

U448.27;U441+.5

A

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1003-1995(2015)04-0034-03

2014-05-04;

2015-01-15

馬馳(1985—)，男，甘肅文縣人，助教，博士研究生。