波形鋼腹板PC部分斜拉橋的力學性能分析

張 坤 郭理學 嚴 盛

(1.中建交通建設集團有限公司，北京 100142; 2.鄭州市交通規(guī)劃勘察設計研究院，河南 鄭州 450052)

波形鋼腹板PC部分斜拉橋的力學性能分析

張 坤1郭理學2嚴 盛1

(1.中建交通建設集團有限公司，北京 100142; 2.鄭州市交通規(guī)劃勘察設計研究院，河南 鄭州 450052)

結合朝陽溝水庫特大橋的工程結構參數(shù)，建立了該橋的三維有限元模型，并從結構整體、橫向框架、結構局部等方面，分析了波形鋼腹板PC部分斜拉橋結構的力學性能，結果表明其各項設計指標均符合要求。

斜拉橋，波形鋼腹板，力學性能，有限元模型

1 工程概況

波形鋼腹板PC箱梁橋作為一種新型橋梁，其跨度也隨著設計理論的細化、分析方法的完善、施工方法的進步而不斷的發(fā)展。朝陽溝水庫特大橋是目前世界上已建項目中跨度最大的波形鋼腹板PC箱梁矮塔斜拉橋，其跨徑布置為(58+118+188+108)m。本文以該橋為研究對象，對波形鋼腹板PC部分斜拉橋的力學性能進行分析。

2 工程結構參數(shù)

橋梁跨徑組成為58+118+188+108=472 m，橋梁全長484.8 m。其總體布置如圖1所示。

箱梁斷面采用單箱四室斜腹板斷面，頂板寬度為35.0 m，箱梁根部梁高7.0 m，支架現(xiàn)澆段、跨中及邊跨合龍段梁高為4.5 m。橋塔布置在行車道與人行道之間，按雙塔柱設計，采用組合式鋼筋混凝土結構，主塔橋面以上高33 m，豎向塔柱采用縱向變化的矩形斷面，寬度從主塔根部的6.4 m按直線變化至墩頂?shù)?.5 m，橫向寬1.5 m；外側輔塔采用雙肢矩形截面，截面尺寸為1.6 m×1.0 m，輔塔與豎向塔柱在塔頂合并。，主墩(下塔柱)均為變寬度矩形雙肢實心薄壁墩，橫橋向左右兩側各設置一對，縱向雙肢中心間距4.8 m，壁厚1.6 m，橋墩橫向寬從墩底9.4 m變化至墩頂?shù)?1.25 m；墩高分別為26.5 m和30 m。墩為矩形實心薄壁墩，墩高為18 m；橫橋向左右各設一肢，橋墩橫向寬從墩底8.7 m變化至墩頂?shù)?.78 m；縱向壁厚2.5 m。斜拉索為雙索面單排索，共52對。梁上索距4.8 m，塔上索距1.0 m。波形鋼腹板波形采用1600型，與混凝土頂板用栓釘連接，其中翼緣鋼板厚22 mm，寬500 mm，翼緣板栓釘橫向布置6排φ19 mm栓釘，栓釘長度25 cm。波形鋼板與混凝土底板的連接采用埋入式連接，孔間距150 mm，埋入深度300 mm，結合鋼筋，貫穿鋼筋；開孔下部焊接少量栓釘，作為輔助連接措施。波形鋼腹板節(jié)段間縱向連接采用了搭接連接貼角焊接連接的方式，使用螺栓臨時固定。波形鋼板與混凝土橫隔板連接部采用雙栓釘連接，栓釘直徑19 mm、長度15 cm，平面布置3排。為增加波形鋼腹板PC箱梁的抗扭剛度，全橋設置一定數(shù)量混凝土橫隔板。于波形鋼腹板采用體外索，將轉向塊與混凝土橫隔板做成一體。在斜拉索位置采用桁架式鋼橫隔板，全橋共計59道，全橋設置16道混凝土橫隔板(不計端橫隔及墩部橫梁)，其中邊跨各2道，主跨設置4道橫隔，橫隔板厚0.5 m。

3 結構有限元模型建立

以空間梁單元、空間桁架單元進行建模，模型考慮R=3 900 m的圓曲線影響，但不計縱坡影響。

分析計入的主要作用有：結構自重、二期荷載、混凝土收縮徐變、溫度效應、汽車活載、拉索索力、支座沉降等。

3.1 參數(shù)選取

計算模型中混凝土和鋼材等材料參數(shù)按照JTG D62公路鋼筋混凝土及預應力混凝土設計規(guī)范及設計圖紙選取。

混凝土：主梁頂、底板混凝土均采用C55；主塔采用C50。

預應力鋼筋：力學性能指標應符合GB/T 5224預應力混凝土用鋼絞線的規(guī)定。

鋼材：采用Q345D鋼材。

3.2 計算荷載

1950年初，云南和平解放后，中央把講武堂第17期學員周保中將軍從東北調(diào)到云南。周保中是大理白族，回到云南后，除了擔任過云南省政府黨組書記、副主席等職務外，還參與創(chuàng)立了云南民族學院（今云南民族大學），并擔任院長，擔任副院長的張沖將軍（彝族），也是云南陸軍講武堂畢業(yè)的學員。經(jīng)過歷史的磨練，講武堂的愛國主義精神，在新的時代得到了傳承。

1)結構自重：混凝土容重為26 kN/m3，鋼材為78.5 kN/m3。2)混凝土收縮徐變效應：收縮徐變考慮10年累計效應。3)二期恒載：考慮瀝青混凝土鋪裝層、防水混凝土層以及兩側混凝土護欄，共計212 kN/m。4)預應力作用：考慮預應力損失及其對超靜定結構次效應，孔道壁摩擦系數(shù)取0.17，管道偏差系數(shù)取0.001 5，一端錨具變形及鋼束回縮量0.006 m。5)斜拉索索力：按照設計圖紙要求張拉斜拉索。

3.3 結構模型建立

桿系模型采用Midas Civil進行建模，主梁采用梁單元進行模擬，波形鋼腹板等效為混凝土腹板，橋梁按曲線橋模擬，曲線半徑3 900 m，有限元模型如圖2所示。

4 結構力學性能分析

4.1 結構縱向分析

1)短期組合。短期組合頂緣應力(見圖3)：端橫梁處應力奇異，其他各部無拉應力。短期組合底緣應力(見圖4)：各部無拉應力。因此，主梁正截面抗裂滿足要求。

2)標準組合。標準組合頂緣應力(見圖5)，最大壓應力為16.0 MPa。標準組合底緣應力(見圖6)，最大壓應力15.3 MPa。因此，主梁正截面壓應力滿足要求。

3)承載力包絡(見圖7)。未計入普通鋼筋貢獻，主梁各部結構抗力均大于設計承載力。

4)結構位移。活載單項主梁豎向位移(如圖8所示)最大51 mm，為主跨的1/3 615?；钶d單項塔頂水平位移(如圖9所示)最大15 mm，為塔高的1/2 200。因此，塔、梁剛度能滿足要求。

5)拉索應力(見圖10)。標準組合下斜拉索索力4 081 kN～5 210 kN，安全系數(shù)為2.1～2.3。活載作用下拉索應力幅18.9 MPa～25.5 MPa，斜拉索不存在疲勞問題。

4.2 橫向框架分析

橫向分析采用Midas Civil橫向分析模塊，計算梁段選取主梁跨中1 m長度的梁段，采用框架結構進行分析。結構如圖11所示。

橋面板配置BM15-3鋼束，間距50 cm，箱梁橫截面最大彎矩及抗力見表1。

表1 橋面板承載力驗算表

橫向框架分析角隅彎矩計算結果見表2。

表2 箱梁角隅抗力驗算

4.3 局部分析

1)索梁錨固區(qū)。索梁錨固區(qū)混凝土主壓應力最大為16.1 MPa，滿足要求。索梁錨固區(qū)模型見圖12，索梁錨固區(qū)混凝土主壓應力云圖見圖13。

2)索塔錨固區(qū)。要考察塔柱最下面的索孔應力，考慮到結構的對稱性，建立塔柱底端三個節(jié)段的1/4塔柱模型(見圖14)。索孔處最大主拉應力為3.2 MPa，加強普通鋼筋配置。索孔主拉應力云圖見圖15。

3)箱梁0號塊。用Midas FEA建立0號塊1/2模型(見圖16)，分析0號塊在拉索、橋縱向軸力、剪力和彎矩作用下的受力狀態(tài)。分析結果顯示，應力指標均滿足規(guī)范要求。箱梁0號塊應力云圖見圖17。

5 結論與展望

本文介紹了國內(nèi)外目前已建的波形鋼腹板PC箱梁斜拉橋，以朝陽溝水庫特大橋為分析對象，建立了三維有限元模型，對波形鋼腹板PC箱梁矮塔斜拉橋進行了結構整體分析、橫向框架分析和結構重點部位的局部分析，結果表明各項設計指標均符合要求。

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Analysis on the mechanical performance of the cable-stayed bridge with corrugated steel web

Zhang Kun1Guo Lixue2Yan Sheng1

(1.ChinaConstructionTrafficConstructionGroupCo.,Ltd,Beijing100142,China:2.ZhengzhouTrafficPlanningSurveyDesignAcademy,Zhengzhou450052,China)

Combining with Chaoyang ditch reservoir extra-large bridge engineering structure parameters, the paper establishes three-dimensional finite element model. Starting from aspects of structural integrity, horizontal framework and local structure, it analyzes the mechanical performance of cable-stayed bridge with corrugated steel web. Results show that: its design indicators meet demands.

cable-stayed bridge, corrugated steel web, mechanical performance, finite element model

1009-6825(2017)01-0174-03

2016-10-27

張 坤(1987- )，女，工程師； 郭理學(1980- )，男，高級工程師； 嚴 盛(1977- )，男，工程師

U441

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