基于有限元仿真模型的剛性懸索加勁鋼桁梁橋的受力性能

(浙江公路水運(yùn)工程咨詢有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310006)

剛性懸索加勁鋼桁梁橋作為一種新型的橋梁結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合了自錨式懸索橋和連續(xù)鋼桁梁橋的受力特點(diǎn)，既克服了傳統(tǒng)懸索橋剛度小、穩(wěn)定性差的缺點(diǎn)，又繼承了鋼桁懸索橋建筑高度小、造型優(yōu)美的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

相對(duì)于傳統(tǒng)鋼桁梁橋，該類橋型結(jié)構(gòu)受力更為復(fù)雜。在整體上具有變高度鋼桁梁橋與自錨式懸索橋的受力特點(diǎn)；在局部上，剛性懸索與桁梁上弦桿的連接與傳統(tǒng)懸索橋截然不同，其設(shè)計(jì)計(jì)算與施工控制尚無現(xiàn)成資料可借鑒。此外，剛性懸索加勁鋼桁梁橋的施工過程伴隨著頻繁的體系轉(zhuǎn)換與內(nèi)力調(diào)整，關(guān)鍵局部構(gòu)件的受力性能及力流傳遞機(jī)制也不斷變化，對(duì)局部連接節(jié)點(diǎn)受力性能的精準(zhǔn)模擬，往往成為決定該類橋型建造運(yùn)營(yíng)階段安全性與可靠性的關(guān)鍵。

基于此，為了系統(tǒng)研究此類橋型的整體受力行為與關(guān)鍵局部的傳力特性，本文以錢塘江新建大橋?yàn)橐劳泄こ?，結(jié)合空間有限元建模方法，進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)的靜力分析與局部構(gòu)件的穩(wěn)定性驗(yàn)算。

一、工程背景

錢塘江新建大橋跨度布置為（72+122+4×240+122+72）m，全長(zhǎng)1348m。主梁為帶上加勁弦桁的板桁結(jié)合鋼桁梁結(jié)構(gòu)，雙層橋面布置，上層為六車道一級(jí)公路，下層為雙線輕軌，線路中心間距4.2m。

主橋在各墩處均設(shè)置有豎向支承，除ZQ5墩外，均設(shè)有橫向支承，在中墩ZQ5處還設(shè)有縱向支承。鋼桁梁主桁架中心間距36.8m，全橋桁架基本為帶豎桿的華倫形桁架。桁高12m，全橋共132個(gè)節(jié)間，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)間距10m。

該橋上層橋面為正交異性鋼板的板桁組合結(jié)構(gòu)整體橋面，上層橋面板與弦桿的頂板通長(zhǎng)連接，以實(shí)現(xiàn)板桁共同受力。下層橋面中間行車區(qū)域?yàn)檎划愋凿摪濉?/p>

錢塘江新建大橋采用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：設(shè)計(jì)活載等級(jí)：上層公路等級(jí)為Ⅰ級(jí)；下層兩線市域A型車。橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100年。橋梁設(shè)計(jì)安全等級(jí)：重要等級(jí)Ⅰ級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0＝1.1?？拐鹪O(shè)防烈度：7度。

二、有限元建模

錢塘江新建大橋主體為鋼結(jié)構(gòu)，采用《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10091-2017)進(jìn)行驗(yàn)算，主要驗(yàn)算內(nèi)容包括全橋剛度、強(qiáng)度、疲勞、整體穩(wěn)定、局部穩(wěn)定等?；阡摻Y(jié)構(gòu)驗(yàn)算方法，對(duì)主橋進(jìn)行建模，計(jì)算模型采用空間模型。

（一）計(jì)算荷載

1.恒荷載

一期恒載：一期恒載包括主桁、鋼結(jié)構(gòu)橋面自重，考慮隔板、節(jié)點(diǎn)板加大、加勁肋等因數(shù)。二期恒載：上層橋面二恒共計(jì)79.5kN/m；下層橋面二恒共計(jì)149.0kN/m。

2.活載

上層公路活載：強(qiáng)度、穩(wěn)定計(jì)算采用公路Ⅰ級(jí)8車道荷載；主桁疲勞驗(yàn)算采用I型。下層輕軌活載：強(qiáng)度、穩(wěn)定計(jì)算采用市域A型車，6輛編組；主桁疲勞驗(yàn)算采用單線加載，乘以雙線系數(shù)。

3.溫度作用

鋼橋面與主桁溫差：15℃。整體溫度：最高氣溫取42.9℃，最低氣溫取零下17.4℃。

4.支座沉降

支座沉降量按20mm計(jì)算。

三、結(jié)果分析

（一）主桁分析

由于主橋聯(lián)長(zhǎng)桿件眾多，故以典型桿件為例給出主桁長(zhǎng)細(xì)比、局部穩(wěn)定、強(qiáng)度、整體穩(wěn)定、疲勞驗(yàn)算結(jié)果。主桁剛度分析如表1所示，主桁長(zhǎng)細(xì)比及局部穩(wěn)定驗(yàn)算如表2所示，主桁強(qiáng)度、整體穩(wěn)定驗(yàn)算如表3所示，主桁疲勞驗(yàn)算如表4所示。由表可知，上層公路剛度大于1/500，下層輕軌剛度大于1/1000；梁端轉(zhuǎn)角為0.415‰，主桁剛度滿足規(guī)范要求。全橋主桁桿件強(qiáng)度、整體穩(wěn)定驗(yàn)算滿足要求。全橋主桁桿件長(zhǎng)細(xì)比、局部穩(wěn)定、整體穩(wěn)定、強(qiáng)度、疲勞驗(yàn)算均滿足規(guī)范要求。

表1 上層公路及下層輕軌的剛度

表2 主桁長(zhǎng)細(xì)比及局部穩(wěn)定驗(yàn)算

表3 主桁強(qiáng)度、整體穩(wěn)定驗(yàn)算

表4 主桁疲勞驗(yàn)算

（二）施工階段驗(yàn)算

主橋施工階段如下：兩側(cè)施工拼裝平臺(tái)及臨時(shí)墩，拼裝第一部分鋼梁及導(dǎo)梁。拼裝—頂推—再頂推，重復(fù)進(jìn)行。拆除導(dǎo)梁繼續(xù)頂推完畢；采用頂落梁、縱移梁措施達(dá)到鋼桁梁標(biāo)準(zhǔn)合龍。安裝剛性懸索及吊桿至合龍口，利用頂落梁措施保證剛性懸索標(biāo)準(zhǔn)合龍，拆除臨時(shí)墩，主橋上部結(jié)構(gòu)施工完畢。針對(duì)最不利頂推工況進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果如下。

1.最不利頂推工況驗(yàn)算：縱向抗傾覆驗(yàn)算

假設(shè)左側(cè)鋼桁梁梁段重量為G1，梁段重心距離傾覆點(diǎn)為L(zhǎng)1；右側(cè)14m鋼桁梁梁段和56m導(dǎo)梁的重量之和為G2，重心距離傾覆點(diǎn)為L(zhǎng)2；施工期間抗傾覆要求為：G1xL1＞1.3xG2xL2；根據(jù)模型反力計(jì)算結(jié)果，結(jié)合力矩平衡；縱向抗傾覆安全系數(shù)：（G1xL1）/（G2xL2）=4.14，大于1.3的安全系數(shù)要求。

2.其他驗(yàn)算

對(duì)施工期間桿件長(zhǎng)細(xì)比、局部穩(wěn)定性、桿件強(qiáng)度、整體穩(wěn)定進(jìn)行驗(yàn)算，均滿足規(guī)范要求。綜上所述，主桁在最不利頂推階段的各項(xiàng)驗(yàn)算均符合規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全。

四、結(jié)語

基于對(duì)錢塘江新建大橋的有限元分析，結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，針對(duì)最不利頂推工況對(duì)主桁進(jìn)行了驗(yàn)算分析，分析得到以下結(jié)論：結(jié)構(gòu)剛度、梁端轉(zhuǎn)角滿足規(guī)范要求；運(yùn)營(yíng)期間主桁桿件長(zhǎng)細(xì)比、局部穩(wěn)定、整體穩(wěn)定、強(qiáng)度、疲勞滿足規(guī)范要求；頂推施工最不利階段縱向抗傾覆系數(shù)大于規(guī)范要求的安全系數(shù)1.3，桿件施工期間滿足長(zhǎng)細(xì)比、局部穩(wěn)定、強(qiáng)度、整體穩(wěn)定的驗(yàn)算要求。本文介紹的設(shè)計(jì)計(jì)算要點(diǎn)可為同類橋型設(shè)計(jì)、施工提供參考。