大跨度鋼桁架拱橋結(jié)構(gòu)仿真分析

王泉清，趙 健，安路明，劉銀濤

（1、廣州南沙區(qū)珠江建設(shè)項(xiàng)目管理有限公司 廣州 510630；2、中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司 天津 300300）

0 引言

拱橋是橋梁中一種常見的橋型，具有外形優(yōu)美、承載性能好、跨越能力大的特點(diǎn)。在大跨度拱橋中，拱肋常見的形式有鋼筋混凝土拱肋、鋼管混凝土拱肋、鋼箱拱肋和鋼桁架拱肋，其中，鋼桁架拱橋剛度大、穩(wěn)定性和抗震性能均好，是大跨度拱橋中最常見的一種形式，如朝天門大橋［2］（主跨552 m 中承式鋼桁架拱橋）、秭歸長江大橋［3］（主跨519 m中承式鋼桁架拱橋）、大寧河特大橋［4］（主跨400 m的上承式鋼桁拱橋），蘇嶺山大橋［5］（主跨240 m下承式鋼桁架拱橋）等。

鋼桁架拱橋構(gòu)件多，受力復(fù)雜，受到了普遍關(guān)注。國內(nèi)不少學(xué)者針對鋼桁架拱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開展了研究［2-3，5-9］，SHAO 等人［10］探索性研究了1000跨徑桁架拱橋的可行性。黃從俊等人［11］、賀擁軍等人［12］分析了不同桁架拱橋的受力特征。賀擁軍等人［12］、江京翼等人［13］分析了鋼桁架拱橋的穩(wěn)定性。遆子龍等人［14］、雷旭等人［15］研究了大跨鋼桁架拱橋及其構(gòu)件的風(fēng)致振動(dòng)特征。

中承式鋼桁架拱橋的結(jié)構(gòu)形式相同，但是桁架內(nèi)部構(gòu)件多，不同的外荷載、不同的構(gòu)件截面尺寸和形式、不同的橋跨均會(huì)導(dǎo)致各構(gòu)件的受力特征不同。為了進(jìn)一步探索中承式鋼桁架拱橋各構(gòu)件的受力特征。以主跨436 m 的廣州南沙某大橋?yàn)楸尘?，開展了大跨度鋼桁架拱橋的受力特征分析。

1 工程概況

廣州南沙某大橋主橋采用三片鋼桁架拱結(jié)構(gòu)，主橋跨徑布置為（96+164+436+164+96+60）m，橋型立面如圖1所示。橋面總寬度為43.2 m，上下層布置，分布為雙向八車道車行道和預(yù)留BRT車道，典型橫斷面布置如圖2 所示。鋼桁架邊桁桁高10.369 m，中桁桁高10.685 m。拱肋上下弦線形均采用二次拋物線。

圖1 某大橋橋式布置Fig.1 Layout of a Bridge（m）

圖2 主橋橫斷面Fig.2 Schematic of Main Bridge Cross Section（m）

主桁及拱肋采用Q420qD、Q370qD材質(zhì)鋼材，吊桿采用標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 670 MPa的鍍鋅平行鋼絲成品吊桿。

⑴設(shè)計(jì)荷載：上層橋面8 車道及下層橋面預(yù)留BRT車道，城市-A級(jí)，各墩不均勻沉降按0.5 cm計(jì)，整體升溫26 ℃、降溫28 ℃。

⑵日照升溫：拱肋上弦上平聯(lián)+20 ℃、拱肋下弦腹桿+16 ℃、橋面板+10 ℃，拉索+10 ℃。

⑶寒潮降溫：拱肋上弦上平聯(lián)-15 ℃、拱肋下弦腹桿-12 ℃、橋面板-8 ℃，拉索-8 ℃。

⑷抗震設(shè)防：基本烈度為Ⅶ度，按Ⅷ度設(shè)防，設(shè)計(jì)風(fēng)速按百年一遇控制設(shè)計(jì)，V10=37.6 m/s。

2 計(jì)算模型與荷載組合

采用有限元分析軟件建立了空間有限模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。采用板單元模擬橋面系，采用桁架單元模擬吊桿采用，采用梁單元模擬主桁結(jié)構(gòu)、橋面橫梁及橫向聯(lián)結(jié)系。整體結(jié)構(gòu)共計(jì)9 015個(gè)節(jié)點(diǎn)，17 344個(gè)單元，其中梁單元共10 783個(gè)，只受拉桁架單元共81個(gè)，板單元6 480個(gè)，空間有限元模型如圖3所示。

圖3 大橋空間有限元模型Fig.3 The Finite Element Model of the Whole Bridge

分析了4組不同的荷載組合方式：

組合1：BRT 主力：恒載+支座沉降+上層城A 車輛+下層BRT+人行荷載；

組合2：BRT 主+縱附：BRT 主力+汽車制動(dòng)力+縱向運(yùn)營風(fēng)荷載+溫度組合；

組合3：BRT 主+橫附：BRT 主力+汽車制動(dòng)力+橫向運(yùn)營風(fēng)荷載+溫度組合；

組合4：恒載+支座沉降+縱向100年一遇陣風(fēng)。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 結(jié)構(gòu)變形分析

在荷載組合1 工況下結(jié)構(gòu)豎向變形如圖4 所示。主拱1/4跨度處，由活載引起的上下?lián)隙龋ń^對值）之和為213 mm，撓跨比為1/2 047，滿足撓跨比大于1/800的要求。主梁邊跨撓跨比為1/2 159、次邊跨為1/2 000、主跨為1/2 332，主梁各跨撓跨比均滿足要求。在極限風(fēng)荷載作用下，拱頂處結(jié)構(gòu)的橫向撓跨比為1/1 058。在荷載組合3 工況下，拱頂處結(jié)構(gòu)的橫向撓跨比為1/1 937，橫向剛度較好。結(jié)構(gòu)變形分析結(jié)果表明：橋梁主梁、拱肋的豎向剛度較好，拱肋橫向剛度也較好。

圖4 結(jié)構(gòu)豎向最大變形Fig.4 Maximum Vertical Deformation of Structure（mm）

3.2 主桁結(jié)構(gòu)內(nèi)力驗(yàn)算

不同的荷載組合下，鋼桁架拱橋結(jié)構(gòu)各桿件內(nèi)力最大值如表1所示，可知，荷載組合3為最不利組合狀態(tài)，因此將荷載組合3 工況作用下各構(gòu)件內(nèi)力圖匯總?cè)鐖D5所示。綜合圖5和表1可知：

表1 各桿件最大內(nèi)力值匯總Tab.1 Summary of the Maximum Internal Force Value of Each Member

圖5 各構(gòu)件內(nèi)力包絡(luò)線圖Fig.5 Internal Force Envelope Diagram of Each Component（kN·m）

⑴主拱上弦最大軸力出現(xiàn)在拱頂位置，下弦最大軸力出現(xiàn)在拱腳位置；主梁主跨軸力平均值明顯大于邊跨，上弦最大軸力出現(xiàn)在A25～A26節(jié)間，下弦最大軸力出現(xiàn)在E16～E17 節(jié)間；腹桿最大軸力發(fā)生在主墩處下加勁直腹桿位置。

⑵主拱上弦拱頂位置面內(nèi)正彎矩較大，拱腳位置負(fù)彎矩較大；主拱下弦在支座處彎矩顯著大于其他位置；主梁在支座位置及拱腳位置彎矩較大；拱腳處腹桿及下加勁腹桿彎矩顯著大于其他位置。

由結(jié)構(gòu)內(nèi)力結(jié)果可知，主拱上弦拱頂位置、主拱下弦拱腳位置、主梁與主拱銜接位置、主墩支座位置以及主梁跨中位置內(nèi)力較大，因此，選取典型桿件A17E16、A17E17、E16E17、S24S25、S25A25、A25G26、A25A26、A25E24、S38S39、S38G39、S39G39、G21G22、G22G2、E22G22、A38E38、E38E39 進(jìn)行了結(jié)構(gòu)內(nèi)力驗(yàn)算。各桿件對應(yīng)位置如圖6所示。

圖6 桿件驗(yàn)算示意圖Fig.6 Schematic Diagram of Member Check

各桿件驗(yàn)算結(jié)果表明：在主力作用下各支座位置腹桿應(yīng)力較大；強(qiáng)度檢算受力最不利桿件為MA17ME16/195 MPa，MA25MA26/189 MPa，MG22MG23/201 MPa，ME38ME39/213 MPa；穩(wěn)定驗(yàn)算最不利桿件為ME16ME17/185 MPa，MA25MG26/187 MPa，MS38MS39/228 MPa，MG22MG23/185 MPa。

3.3 吊桿應(yīng)力分析

在荷載組合3 工況作用下，中桁各吊桿內(nèi)力和應(yīng)力分布如圖7所示。在荷載組合3工況作用下，吊桿最大拉力為5 705 kN，最大吊桿力出現(xiàn)在中桁最邊側(cè)吊桿位置。吊桿最大拉應(yīng)力為793 MPa，最大吊桿應(yīng)力力出現(xiàn)在中桁最邊側(cè)吊桿位置，1 670 MPa/793 MPa=2.1。吊桿檢算結(jié)果表明：

圖7 中桁吊桿內(nèi)力與應(yīng)力分布Fig.7 Internal Force and Stress Distribution of Middle Truss Boom

⑴恒載作用下，最大吊桿力出現(xiàn)在中桁最邊側(cè)吊桿位置，但吊桿最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在中桁1/4處吊桿，最大拉應(yīng)力377 MPa，安全系數(shù)4.45；

⑵主力、主+附作用下，吊桿最大拉應(yīng)力為518 MPa，最大吊桿應(yīng)力力出現(xiàn)在中桁1/8和3/8處吊桿，安全系數(shù)3.22；

⑶恒載+支座沉降+極限風(fēng)荷載作用下，吊桿最大拉應(yīng)力為378 MPa，最大吊桿應(yīng)力力出現(xiàn)在中桁1/8位置吊桿，安全系數(shù)4.4。

4 結(jié)論

通過空間有限元模型理論分析，研究了主跨436 m的大跨度中承式鋼桁架拱橋各構(gòu)件在復(fù)雜外力作用下的受力特征。研究結(jié)果表明：

⑴主橋各跨的撓跨比均滿足大于1/800的要求；

⑵桿件強(qiáng)度、穩(wěn)定、疲勞滿足文獻(xiàn)［1］要求，中桁桿件內(nèi)力要大于邊桁內(nèi)力；

⑶吊桿受力滿足文獻(xiàn)［1］要求，主拱拱頂拱腳、主梁跨中鋼桁構(gòu)件及最邊側(cè)部位吊桿受力最為不利，強(qiáng)度安全系數(shù)偏低，營運(yùn)期間應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，定期檢查。