橋面景觀鋼結構變形計算分析

陳前玲　崔自力　胥維纖

（陜西水環(huán)境工程勘測設計研究院陜西西安710018）

橋面景觀鋼結構變形計算分析

陳前玲崔自力胥維纖

（陜西水環(huán)境工程勘測設計研究院陜西西安710018）

本文借鑒國內外已成橋面鋼結構景觀工程設計實例，對石堤河橋面鋼結構進行了景觀造型設計，其造型獨特，外表美觀，受到了外界及行業(yè)內的一致好評，本文采用A N SY S有限元軟件對橋面鋼結構受力情況進行模擬，最終在滿足鋼結構應力應變的條件下，對結構進行了優(yōu)化設計，為今后類似工程提供相關設計參考。

橋面景觀；自重；風荷載；車輛荷載

1　工程概況

石堤河河口防汛交通橋南距老西潼公路5km，西南距華縣10km。本次設計在現(xiàn)狀石堤河口交通橋上游并排新建預應力混凝土空心板橋一座，長100m（20m×5跨），橋面寬16.5m，擴寬后橋面總寬度為25.5m。橋面功能區(qū)由臨河至背河側依次為：0.5m欄桿、3.5m人行休閑步道、3m自行車道、1.5m隔離帶、14m行車道、2.5m人行休閑步道、0.5m欄桿。石堤河橋共5跨，本次設計橋面鋼結構位于石堤河橋中間3跨，總長60m，主體由四根φ244.5mm的不銹鋼圓拱鋼管和φ48.3mm、φ244.5mm的系桿組合而成的鋼構架，鋼構架總高度為12m，跨度60m，位于1～4號橋墩間，拱腳分別位于1、4號橋墩處，總寬度為24.65m。

本次設計橋面鋼結構總長60m，主體由四根φ244.5mm的不銹鋼圓拱鋼管和φ48.3mm、φ244.5mm的系桿組合而成的鋼構架，鋼構架總高度為12m，跨度60m，總寬度為24.65m。外側圓拱最大拱高12m，與橋面垂直，外側圓拱與橋面之間采用間距2m、垂直橋面的φ48.3mm不銹鋼鋼管系桿，為了減輕汽車經過橋面時引起鋼管振動，在外側圓拱φ48.3mm不銹鋼鋼管系桿距拱頂1.2m處設計一道伸縮節(jié)，伸縮節(jié)具體設計為：伸縮節(jié)總長50cm，為φ80mm的不銹鋼套管，其頂部與φ40的鋼管焊接在一起，焊接長度為5cm，中間預留15cm的伸縮空間，下部伸入套管內30cm；內側圓拱最大拱高9.75m，傾向橋內側的圓弧拱形，內側圓拱采用φ139.7mm的不銹鋼鋼管系桿與外側圓拱鋼管連接，間距為2m，圓拱鋼管頂部采用4根φ139.7mm的不銹鋼鋼管系桿將內側兩根圓拱鋼管連接。鋼管與橋面連接處底部采用20mm厚的鋼板，位于橋面鋪裝層內，要求鋼板與鋪裝層底部鋼筋焊接在一起，并在鋼管周圍采用厚度為20mm的8個鋼板將鋼管固定，鋼管周圍采用C25混凝土包裹。石堤河橋面景觀鋼結構斷面見圖1。

2　模型建立

2.1計算軟件介紹

計算采用國內外通用的結構分析軟件ANSYS，ANSYS軟件是融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。本項目采用ANSYS軟件計算時，所涉及到的分析類型如下：

①結構靜力分析：用來求解外載荷引起的位移、應力和力。不僅可以進行線性分析，而且也可以進行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應變及接觸分析。

②結構動力學分析：用來求解隨時間變化的載荷對結構或部件的影響。ANSYS可進行的結構動力學分析類型包括：瞬態(tài)動力學分析、模態(tài)分析、諧波響應分析及隨機振動響應分析。

③結構非線性分析：結構非線性導致結構或部件的響應隨外載荷不成比例變化。ANSYS程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。

2.2計算工況

鋼構架結構受力計算工況：

（1）工況一：自重荷載作用下對拱架的安全性和拱腳的剛度進行校核；

（2）工況二：自重荷載+風荷載作用下對拱架的安全性和拱腳的剛度進行校核；

（3）工況三：自重荷載+風荷載+汽車荷載作用下對拱架的安全性和拱腳的剛度進行校核。

2.3計算模型

表1列出了兩種鋼管截面的特性參數(shù)，圖2給出了拱架結構的整體有限元模型圖。

由于拱圈與橋面連接的豎桿設置了伸縮節(jié)構造，基本上可以消除車輛行駛過程中引起的拱圈的振動，而拱角布置在板橋的兩端臺冒梁處，行車荷載引起的變形比較小，對拱圈基本無影響，故對于橋面景觀結構不再校核行車荷載作用。

圖1　橋面景觀鋼結構斷面圖

圖2　拱架模型

圖3　變形圖

表1　兩種鋼管截面特性參數(shù)表

3　計算結果及分析

按照上述有限元計算模型，對橋面鋼結構進行非線性有限元仿真計算，得到三種工況下應力變形計算結果。

工況一：重力作用

由于邊拱的豎桿設置了伸縮節(jié)，伸縮節(jié)上部豎桿自重由拱圈承擔，而伸縮節(jié)下部豎桿自重由橋面承擔。因此，將伸縮節(jié)上部豎桿自重等效為集中載荷，作用于拱圈對應位置。

從圖3可以看出，在重力荷載標準值作用下，最大變形發(fā)生于拱架頂部主側拱之間的橫桿上，總變形為0.0407m，其中豎向位移為0.0406m。拱架撓跨比為0.0407m/24.5m=1/602，參考《空間網格結構技術規(guī)程》（以下簡稱《規(guī)程》），空間網格結構在恒荷載與活荷載標準值作用下的最大撓度值不宜超過《規(guī)程》中的容許撓度值。本拱架的撓跨比為1/602，且為單層結構體系，滿足剛度要求。

工況二：重力+風荷載作用

由于邊拱的豎桿設置了伸縮節(jié)，車輛移動引起的荷載不會傳遞到拱架，但豎桿的部分自重及風荷載將傳遞給拱架，故在此僅考慮豎桿傳遞的風荷載。伸縮節(jié)上部豎桿自重由拱圈承擔，而伸縮節(jié)下部豎桿自重由橋面承擔。因此，將伸縮節(jié)上部豎桿自重等效為集中載荷，作用于拱圈對應位置。

可伸縮豎桿會受到風荷載的作用，并且將部分風載傳遞給邊拱，部分傳遞給橋面。為計算方便，將可伸縮豎桿上受到的風載一分為二，一半傳給側拱，一半傳遞給橋面。

從圖4可以看出，在自重和風載標準值作用下，最大變形發(fā)生于頂部連接內外拱的橫桿上，總變形0.05384m，其中豎向位移（z向）為0.049988m，y向（橫向，即風載作用方向）位移為0.02m。由此可以看出，該拱架側向剛度足夠。

工況三：重力+風荷載+汽車荷載作用

若豎桿伸縮節(jié)失效，則汽車荷載就會傳遞到拱架，本次分析汽車移動荷載作用下拱架的變形、強度及穩(wěn)定承載力。不考慮邊拱豎桿所設置的伸縮節(jié)，為了便于施加車輛移動荷載，將與豎桿連接的一塊邊板納入模型，豎桿與邊板之間剛接，邊板在墩臺處鉸接。車輛荷載按鉸接板的分布系數(shù)進行荷載分配，但考慮到該橋是在舊橋的基礎上加寬，待加寬后，原橋面作為自行車道，行車道在新建橋面，故車輛僅布置在新建橋面，橫向分布系數(shù)計算中，鉸接板的數(shù)目為16塊板。空心板所承擔的車輛荷載按荷載橫向分布系數(shù)確定。

多車道橋梁上的汽車荷載應考慮多車道折減。當橋涵設計車道數(shù)等于或大于2時，由汽車荷載產生的效應按表2規(guī)定的多車道折減系數(shù)進行折減，但折減后的效應不得小于兩設計車道的荷載效應。本橋四車道，因此，橫向折減系數(shù)本應取為0.67。鑒于安全起見，這里不考慮橫向折減系數(shù)。

由于該橋為雙向四車道，行車載荷作用下拱架結構響應計算時，按最不利的四輛車同時行駛考慮，行駛速度為設計速度60km/h，將四輛車各自荷載折算至邊板。車輛荷載僅施加在行車道側，偏安全的不再考慮對面?zhèn)热巳狠d荷。

在正常使用極限狀態(tài)下，驗算在移動車輛荷載作用下拱架的變形情況，考慮如下荷載：拱架自重、車輛荷載、風載、人群載荷，按+0.75S風進行組合。車輛行駛速度為設計速度60km/h，拱架下的橋面長為60m，再加上車身長度，車輛從進入至離開橋面共需4.392s。結果表明，當兩輛上行車與兩輛下行車行駛至第二跨跨中附近時，節(jié)點71在1.2s變形達到最大值，最大變形量為0.0435m，拱架撓跨比為0.0445m/24.5m=1/551，滿足《規(guī)程》中的容許撓度值，且為單層結構體系，故滿足剛度要求。

表2　橫向折減系數(shù)

4　結論

本次計算僅對景觀結構的變形進行了分析，提出了滿足要求的設計方案，但未對整體穩(wěn)定性、細部設計進行分析和設計，如構件之間焊縫、拱角與橋面的連接。建議鋼件之間采用連續(xù)焊焊縫連接，焊縫尺寸擬根據(jù)分析得到內力按焊縫承載力計算確定；拱角尺寸及基礎承載力按雙向偏小受壓柱腳設計原理進行設計。通過三種工況計算，結果表明：風荷載和車輛荷載對鋼結構穩(wěn)定性的影響是不容忽視的，今后在做類似工程時一定要注意風荷載及車輛荷載對橋面鋼結構的穩(wěn)定性影響。陜西水利

圖4　重力載荷+風載拱架變形圖

（責任編輯：暢妮）

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