沈陽市東塔跨渾河橋總體靜力計(jì)算分析

于海賓

（沈陽市市政工程設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽 110015）

橋梁結(jié)構(gòu)

沈陽市東塔跨渾河橋總體靜力計(jì)算分析

于海賓

（沈陽市市政工程設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽 110015）

沈陽市東塔跨渾河橋?yàn)殡p塔雙索面自錨式懸索橋，主橋跨徑布置為40+90+220+90+40=480 m，橋塔為鋼桁架橋塔，造型獨(dú)特優(yōu)美?，F(xiàn)以東塔跨渾河橋?yàn)閷?shí)例，利用Midas/civil計(jì)算軟件，介紹了自錨式懸索橋的總體計(jì)算過程，以及要點(diǎn)分析。

自錨式懸索橋；總體靜力計(jì)算；鋼桁架橋塔

1 工程概述

某工程位于沈陽四塔之一的東塔以南2 km處，故取名東塔跨渾河橋。它處于渾河南岸通往市區(qū)的王家灣橋與長青橋之間。主橋?yàn)槲蹇邕B續(xù)鋼桁架橋塔自錨式懸索橋，跨徑布置為40+90+220+ 90+40=480（m），主纜垂跨比為1/5.5。主橋在有索區(qū)寬度為43.3 m，無索區(qū)及引橋均為40 m（見圖1、圖2）。

圖1 東塔跨渾河橋效果圖

圖2 東塔跨渾河橋立面圖

橋梁為半漂浮體系，結(jié)構(gòu)體系約束情況為：索塔兩側(cè)牛腿上設(shè)置一個(gè)單向支座和一個(gè)雙向支座；在牛腿與主梁之間設(shè)置粘滯阻尼器，在主梁與橋塔間設(shè)置橫向限位支座；錨固跨橋墩分別設(shè)置一個(gè)單向支座和一個(gè)雙向支座；兩端過渡墩上各設(shè)置兩個(gè)雙向支座。

2 結(jié)構(gòu)總體靜力計(jì)算分析

懸索橋靜力分析設(shè)計(jì)的工作主要分為兩個(gè)步驟：一是設(shè)計(jì)主纜及加勁梁系統(tǒng)；二是根據(jù)已經(jīng)決定的主纜及加勁梁體系來設(shè)計(jì)索塔系統(tǒng)。本文計(jì)算模型基于有限位移理論，利用Midas/civil計(jì)算程序建立三維空間有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1 主要材料及規(guī)格

2.1.1 主纜

采用直徑φ5.0，公稱抗拉強(qiáng)度1 670 MPa的高強(qiáng)度鍍鋅鋼絲。每根主纜共有19股索股，每根索股由127根φ5.0的高強(qiáng)鍍鋅鋼絲組成（見圖3）。

圖3 主纜及索股斷面圖

2.1.2 吊桿

每根吊索由19根φs15.2鋼絞線組成，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度1 860 MPa，全橋吊索采用同一種規(guī)格。

2.1.3 鋼箱梁

鋼箱梁采用Q345D鋼材，彈性模量為2.06× 105MPa。

2.1.4 橋塔

橋面以下9.5 m處為鋼/混凝土分界線，分界線以上為鋼結(jié)構(gòu)，采用Q345D鋼材，分界線以下塔身與承臺(tái)均為現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，塔身混凝土為C50混凝土。

2.2 結(jié)構(gòu)離散

懸索橋主纜及吊索的抗彎剛度較小，其受力主要是受拉，可以采用空間索單元進(jìn)行模擬；橋塔及加勁梁可以作為空間梁單元模擬，加勁梁的空間桿系模型采用“魚骨式”形式，通過剛性連接將吊索下錨固點(diǎn)與加勁梁節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，模型邊界條件按照實(shí)際設(shè)計(jì)約束進(jìn)行模擬。

2.3 主要荷載

2.3.1 永久作用

自重：包括主纜、吊索、索夾、主纜防護(hù)、纜索附屬、索鞍、散索套、索塔、加勁梁、橋面系的自重。

基礎(chǔ)變位：主塔下基礎(chǔ)為-20 mm，其余各橋墩基礎(chǔ)為-5 mm。

2.3.2 可變作用

溫度作用：設(shè)計(jì)合攏溫度為5～15℃，鋼加勁梁、主塔鋼結(jié)構(gòu)段、主纜、吊桿體系升溫采用41℃，體系降溫采用-58℃；主塔混凝土段升溫采用29℃，體系降溫采用-38℃。

風(fēng)荷載:按橫橋向和縱橋向分別考慮，根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D60-01-2004）進(jìn)行計(jì)算。

汽車荷載:汽車荷載為城-A級(jí)，8車道。

人群荷載:2.5 kN/m2。

2.4 用Midas/civil建立模型

2.4.1 建立懸索橋初始平衡狀態(tài)模型

Midas/civil中提供了建模助手功能。該功能可幫助使用者快速建立懸索橋初始平衡狀態(tài)模型。但是在使用過程中需要注意，為了盡量使懸索橋助手建立的模型貼近實(shí)際，可在“橋面系單位重量”中輸入預(yù)估的吊索力，如圖4所示。預(yù)估的吊索力可以通過建立全橋梁單元模型，在模型中除了設(shè)置正常支座之外，在所有吊索位置均添加一個(gè)豎向支撐，每個(gè)豎向支撐的反力就是該處橫向兩根吊索的合力，這樣在“懸索橋分析”過程中模型更接近于實(shí)際情況，模型分析收斂誤差更小。

2.4.2 建立懸索橋成橋狀態(tài)

在懸索橋建模助手建立的模型基礎(chǔ)上，按照工程實(shí)際情況建立三維空間有限元模型，并添加二期荷載，刪除初始平衡狀態(tài)模型中的“非線性分析數(shù)據(jù)”。在“懸索橋分析控制”對(duì)話框中添加垂點(diǎn)組與更新節(jié)點(diǎn)組，同時(shí)定義自重荷載工況，運(yùn)行分析后得到懸索橋精確平衡狀態(tài)，成橋狀態(tài)對(duì)應(yīng)成橋吊索力見表1所列。

圖4 橋面系單位重量圖示

表1 實(shí)際成橋吊索力與初始擬定吊索力對(duì)比一覽表

由表1可見，由于配跨的存在和主梁剛度、重量分布與建模助手中考慮的不同，同時(shí)該橋?yàn)樽藻^式懸索橋，實(shí)際成橋吊桿力與建模助手中輸入的吊索力是有差異的，是經(jīng)過了重新分配的，但兩者之間差別較小。至此，懸索橋成橋狀態(tài)模型建立完成，如圖5所示。

圖5 橋梁空間有限元模型

2.4.3 建立懸索橋總體靜力分析模型

在懸索橋成橋模型基礎(chǔ)上，施加其他可變作用（汽車、人群、溫度、變位、風(fēng)等），同時(shí)組合荷載工況即可進(jìn)行總體靜力計(jì)算。

2.5 主要計(jì)算結(jié)果

2.5.1 主纜強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，主纜拉應(yīng)力最大的位置為塔頂處8#單元處（邊跨側(cè)），其主要荷載效應(yīng)結(jié)果見表2所列。

表2 主纜拉應(yīng)力驗(yàn)算表

由表2可以看出，按照承載能力極限狀態(tài)基本組合計(jì)算的主纜安全系數(shù)γ=1 670/799.1=2.09＞1.85，滿足規(guī)范要求。同時(shí)可以看出，在主纜所承受的荷載中，恒載、汽車荷載及人群荷載起到絕大多數(shù)作用，其中恒載在所有荷載中所占比重最大，約占所有荷載效應(yīng)的80%以上，因此在懸索橋設(shè)計(jì)初期，可以根據(jù)相關(guān)教材按照橋面恒載手動(dòng)近似計(jì)算得出擬定的主纜規(guī)格。

2.5.2 吊索強(qiáng)度驗(yàn)算

吊索與主纜情況相似，其各部分荷載效應(yīng)產(chǎn)生的結(jié)果所占比重與主纜相差較小，吊索拉應(yīng)力最大的吊索位于主跨跨中處，按照承載能力極限狀態(tài)基本組合計(jì)算吊索的拉應(yīng)力為678.5 MPa，吊索安全系數(shù)γ=1 860/678.5=2.74＞2.2，滿足規(guī)范要求。

2.5.3 加勁梁強(qiáng)度驗(yàn)算

圖6至圖9為鋼加勁梁的主要應(yīng)力結(jié)果。

圖6 鋼加勁梁上緣最大壓應(yīng)力圖（MPa）

圖7 鋼加勁梁下緣最大壓應(yīng)力圖（MPa）

圖8 鋼加勁梁上緣最大拉應(yīng)力圖（MPa）

圖9 鋼加勁梁下緣最大拉應(yīng)力圖（MPa）

由于自錨式懸索橋在加勁梁上錨固主纜，加勁梁承受主纜端部的巨大的水平分力，且全橋軸力變化很小，所以自錨式懸索橋的主梁拉應(yīng)力一般可以控制得比較小。從圖8、圖9結(jié)果也可以看出，加勁梁上下緣最大拉應(yīng)力均出現(xiàn)在輔助跨側(cè)。從圖6、圖7可以看出，上緣最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在主跨跨中處，下緣最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在索塔處，全橋鋼加勁梁最大壓應(yīng)力為143.8 MPa，滿足規(guī)范要求。

2.5.4 主塔強(qiáng)度驗(yàn)算

主塔是懸索橋承重結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)架，是用以支承主纜并將荷載通過基礎(chǔ)傳遞給地基的結(jié)構(gòu)。在成橋狀態(tài)下，主纜理論上只向主塔傳遞軸力作用，主塔的彎矩主要來自于可變荷載，主塔壓應(yīng)力結(jié)果如圖10所示，壓應(yīng)力最大位置位于塔根部內(nèi)側(cè)，最大壓應(yīng)力為181.6 MPa，滿足規(guī)范要求。

圖10 橋塔最大壓應(yīng)力圖（MPa）

3 結(jié)語

城市橋梁在滿足交通功能的基礎(chǔ)上對(duì)于外觀的要求越來越高，懸索橋造型獨(dú)特，線形優(yōu)美，同時(shí)受地質(zhì)條件限制，自錨式懸索橋越來越多地被應(yīng)用于城市橋梁的設(shè)計(jì)當(dāng)中。本文通過沈陽市東塔跨渾河橋的實(shí)際案例，介紹了自錨式懸索橋總體靜力計(jì)算要點(diǎn)、方法，以及部分受力特點(diǎn)分析，為其他相似規(guī)模自錨式懸索橋提供參考。沈陽市市政工程設(shè)計(jì)研究院在設(shè)計(jì)完成后也多次召開專家會(huì)議，對(duì)一些重點(diǎn)問題展開論證，同時(shí)向其他有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)單位學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)資料。目前該橋梁正在安全有序地進(jìn)行施工，預(yù)計(jì)于2018年竣工通車。

U441+.5

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1009-7716（2017）04-0056-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.017

2017-01-24

于海賓（1984-），男，遼寧鞍山人，高級(jí)工程師，從事橋梁工程設(shè)計(jì)工作。