長懸臂懸廊橋的受力性能研究

曾天寶，張 琳

（1.南昌市城市規(guī)劃設(shè)計研究總院，江西 南昌330038；2.江西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 南昌330038）

0 引言

隨著景區(qū)景點的不斷開發(fā)，景觀橋以其獨特的美學(xué)效果成為各個景區(qū)的亮點。隨著斜拉橋結(jié)構(gòu)分析理論的完善及施工工藝的突破得到了飛躍式的發(fā)展。由于長懸臂斜拉橋的特殊性，較一般類型的斜拉橋在結(jié)構(gòu)構(gòu)造和受力上更為復(fù)雜，具有其獨特的一面。對長懸臂斜拉橋受力性能的研究顯得十分有必要，本文以桐廬垂云通天河景區(qū)玻璃懸廊為例進(jìn)行受力性能的研究，將研究結(jié)果作為施工依據(jù)，也為類似橋型的計算提供參考。

1 工程概況

桐廬垂云通天河景區(qū)玻璃懸廊橋懸臂長78.0 m，跨徑布置為13.1 m+78 m，是景區(qū)最受人歡迎的景點之一，見圖1。根據(jù)景區(qū)總體規(guī)劃要求，該玻璃懸廊屬于人行橋，僅供游客駐足觀賞風(fēng)景，是整個景區(qū)的重要組成部分。該玻璃懸廊橋主梁及主塔采用鋼結(jié)構(gòu)，橋面采用高強鋼化玻璃，基礎(chǔ)采用淺埋嵌巖基礎(chǔ)，背索錨固于塔后獨立承臺之上，最大懸臂處設(shè)置一外直徑為4.0 m的圓形觀景平臺。玻璃懸廊橋主梁總寬為1.6 m。主梁采用鋼桁梁，主梁高為1.6 m，主梁寬為1.6 m。主塔采用鋼桁式矩形主塔，橋面以上總高為23.076 m。塔梁固結(jié)，邊跨采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，邊跨端部直接座落在巖石上，斜拉索產(chǎn)生的水平壓力，通過邊梁傳遞到巖石上，保證主塔不會有太大的偏移。

圖1 桐廬懸廊橋效果圖

全橋共有9對纜索，其中3對背索，5對前索，1對下風(fēng)索。前索起支撐主梁作用，將主梁荷載傳遞給主塔；背索平衡塔頂水平分力，增大主塔的穩(wěn)定性；1對拉索為下風(fēng)索，一端連接主梁，另一端錨固于山體上。拉索采用GLG850鋼拉桿，除4#、5#前索外（直徑55 mm）拉索直徑均為50 mm。拉索中間設(shè)置雙向鉸，調(diào)節(jié)采用雙向套筒。兩主塔下各設(shè)置一個橋墩，橋墩尺寸為3.4 m×3.4m×3.0 m，采用實心橋墩，鋼結(jié)構(gòu)錨入橋墩2.5 m。基礎(chǔ)采用承臺＋預(yù)應(yīng)力錨索，承臺尺寸為5.0 m×5.0 m×2.0 m。背索錨固橋墩采用方墩，墩底尺寸為3.5 m×3.5 m×2.0 m，采用9根預(yù)應(yīng)力錨索與地面連接提高抗拔力。

2 計算模型

計算采用橋梁專業(yè)有限元軟件Midas civil軟件進(jìn)行空間模型分析，選取主橋進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，建模時，主梁及索塔均采用空間梁單元建模，玻璃橋面采用板單元模擬，拉索采用桁架單元模擬，考慮拉索的垂度效應(yīng)以及樁土作用。

全橋共包含1 056個節(jié)點，2 275個單元，其中包含2 079個主梁單元、164個板單元和32個拉索桁架單元，拉索端部與主梁共節(jié)點。支座布置采用雙支座模擬，考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)；考慮樁土作用建立樁基模型，見圖2。

圖2 桐廬懸廊橋整體桿系模型示意圖

2.1 設(shè)計荷載

（1）人群荷載：3.5 kN/m2；

（2）橋面凈寬：凈1.6 m；

（3）基本風(fēng)壓：0.50 kN/m2；

（4）基本雪壓：0.40 kN/m2。

2.2 材料

（1）主纜鋼索：拉索采用GLG850鋼，其抗拉強度設(shè)計值為850 MPa。

（2）混凝土采用C40，Ec=3.25×104MPa，fcd=18.4 MPa，ftd=1.65 MPa，容重γ=25 kN/m3。

（3）玻璃：采用鋼化夾膠玻璃，型號為（12+1.52PVB+12）

（4）型鋼：玻璃懸廊上部結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)采用Q345B。

2.3 結(jié)構(gòu)計算的荷載組合

基本組合：γ2×[1.2×恒載+1.4×活載（含沖擊）+沉降+0.75×1.4梯度溫度+0.75×1.4整體溫度+0.75×1.1×風(fēng)荷載]。

頻遇組合：恒載+0.7×活載（不計沖擊）+0.8×梯度溫度+整體溫度+0.75×風(fēng)荷載。

標(biāo)準(zhǔn)組合：恒載+活載+沉降+梯度溫度+整體溫度+風(fēng)荷載。

2.4 施工階段劃分

全橋的主要步驟：施工基礎(chǔ)及橋塔施工→逐段施工懸臂段，張拉斜拉索→鋪裝玻璃面板、安裝護欄→正式通行。

3 受力性能分析

為了確保結(jié)構(gòu)的安全性，經(jīng)計算，施工階段變形，應(yīng)力最大值均發(fā)生在橋面鋪裝階段。其結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移、內(nèi)力以及索力計算結(jié)果如下所示。

3.1 變形結(jié)果

施工階段的主要變形結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 桐廬懸廊橋橋面鋪裝施工(單位：mm)

圖4 桐廬懸廊橋成橋階段(單位：mm)

由上述的計算結(jié)果可以得出，主梁最大變形為249.4 mm＜L/300=260 mm，主塔最大變形為52.3 mm＜L/300=76.9 mm，滿足規(guī)范要求。

3.2 應(yīng)力結(jié)果

施工階段的主要應(yīng)力結(jié)果見圖5～圖7。

圖5 桐廬懸廊橋橋面鋪裝施工應(yīng)力圖(單位：MP a)

圖6 桐廬懸廊橋成橋階段主塔應(yīng)力圖(單位：MP a)

圖7 桐廬懸廊橋成橋階段主梁應(yīng)力圖(單位：MP a)

由上述的計算結(jié)果可以得出，主梁最大應(yīng)力為116.81 MPa，最大拉應(yīng)力為72.29 MPa；主塔最大應(yīng)力為103.58 MPa，最大拉應(yīng)力為71.69 MPa，橋梁的主梁、主塔的應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

3.3 斜拉索索力結(jié)果

索力結(jié)果見表1。

由表1可以得出，斜拉索的安全系數(shù)滿足要求，斜拉索的安全性足以保證。

表1 初拉力及規(guī)格 （單位：kN）

4 穩(wěn)定驗算

為了確保結(jié)構(gòu)在施工過程以及成橋時的穩(wěn)定安全，需要對施工階段最不利工況和成橋工況進(jìn)行穩(wěn)定計算，本文共選擇裸塔、最大懸臂、成橋三個工況驗算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定安全，具體結(jié)果見下。

4.1 裸塔工況

裸塔施工的模型如下，其臨界失穩(wěn)狀態(tài)見圖8。

圖8 桐廬懸廊橋裸塔失穩(wěn)圖（縱向失穩(wěn)）

由計算結(jié)果可知裸塔階段臨界失穩(wěn)系數(shù)為40.5，滿足要求。

4.2 最大懸臂工況

最大懸臂的模型如下，其臨界失穩(wěn)狀態(tài)見圖9。由計算結(jié)果可知最大懸臂階段的臨界失穩(wěn)系數(shù)為20.7，滿足要求。

圖9 桐廬懸廊橋最大懸臂失穩(wěn)圖（橫向失穩(wěn)）

4.3 成橋工況

成橋階段的模型如下，其臨界失穩(wěn)狀態(tài)見圖10。

圖10 桐廬懸廊橋成橋失穩(wěn)圖（橫向失穩(wěn)）

由計算結(jié)果可知成橋階段臨界失穩(wěn)系數(shù)為29.6，滿足要求。

由以上的計算結(jié)果可以知道，在最不利的施工階段和成橋階段，橋梁的穩(wěn)定系數(shù)均大于2.5，滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)的安全性可以得到保證。

5 結(jié)論

本文采用橋梁專業(yè)有限元軟件Midas civil較為準(zhǔn)確的分析了桐廬懸廊橋，得出以下結(jié)論：

（1）懸廊橋的主梁最大變形為249.4 mm＜L/300=260 mm，主塔最大變形為52.3 mm＜L/300=76.9 mm，滿足規(guī)范要求。

（2）懸廊橋的主梁最大應(yīng)力為116.81 MPa，最大拉應(yīng)力為72.29 MPa；主塔最大壓應(yīng)力為103.58 MPa，最大拉應(yīng)力為71.69 MPa，橋梁的主梁、主塔的應(yīng)力滿足規(guī)范要求。

（3）懸廊橋的拉索最大應(yīng)力320.4 MPa，受力性能滿足規(guī)范要求。

（4）懸廊橋最小臨界失穩(wěn)系數(shù)為29.6，主橋整體穩(wěn)定系數(shù)較大，說明穩(wěn)定性鉸好。

從結(jié)果看，桐廬懸廊橋的整體應(yīng)力水平均滿足我國現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)范要求。通過對桐廬懸廊橋的受力性能分析，為大橋的施工提供理論數(shù)據(jù)，也為同類橋型的設(shè)計提供參考。