大跨徑張弦桁架橋受力分析研究

羅 冰

(廈門市政管廊投資管理有限公司 廈門市 361001)

0 引言

隨著城市快速發(fā)展,天橋已經(jīng)成為城市交通的重要樞紐之一。目前城市中的天橋設(shè)計(jì)缺乏特色,很多天橋的設(shè)計(jì)形式單一,沒有考慮與周邊環(huán)境的協(xié)調(diào)與融合。這種缺乏特色的設(shè)計(jì)不僅影響了城市的整體形象,也使得天橋本身失去了景觀價(jià)值。天橋作為過街的重要交通設(shè)施,不僅在功能上需要滿足交通需求,而且在美學(xué)上也需展現(xiàn)出獨(dú)特的魅力。天橋作為橋梁的一種類型,在這方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢,可以采用空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、張拉結(jié)構(gòu)、斜拉橋、懸索橋等新型結(jié)構(gòu)形式,不僅可以提高橋梁的承載能力,還可增強(qiáng)視覺效果,凸顯橋梁美學(xué)和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新?；谶@樣的背景,作為新型的橋梁結(jié)構(gòu)形式——張弦桁架橋,以其大跨度、輕盈美觀和施工便捷等優(yōu)點(diǎn),逐漸得到了橋梁工程師的青睞。鑒于目前對于大跨徑張弦桁架橋的設(shè)計(jì)施工方面的經(jīng)驗(yàn)有所欠缺,文章旨在通過實(shí)際案例介紹大跨徑張弦桁架橋的受力性能,為類似工程提供案例參考。

1 工程概況

某人行橋梁位處山谷溝壑,全橋平面為直線,橋跨布置形式為16m+90m+50m,橋面全寬4.4m,橋面凈寬3.8m,主橋采用張弦桁架橋結(jié)構(gòu)體系,見圖1。主橋結(jié)構(gòu)體系由鋼桁架作為上弦,下部設(shè)置雙柔性纜索,中間連以外傾撐桿形成整體受力自平衡體系,撐桿外傾可增加橋面橫向剛度,體系簡單,受力明確。橋面梁采用鋼桁架形式,中心高1.2m,撐桿間距6m,見圖2。主纜索面設(shè)計(jì)為空間雙索面,兩根主纜采用公稱直徑106mm高釩索,纜索垂高5.7m,垂跨比1/16,基本線型設(shè)計(jì)為懸鏈線,主纜兩端均錨固在鋼桁架上。下部結(jié)構(gòu)采用混凝土橋墩和樁基礎(chǔ)。

圖2 主跨鋼桁架橋面梁截面圖(單位:mm)

2 主要構(gòu)件材料參數(shù)

橋梁鋼桁架及撐桿鋼材均采用 Q345C鋼;橋梁主纜采用鋅-5%鋁-稀土合金鍍層高強(qiáng)鋼絲密閉高釩索,最小破斷拉力值F0≥11300kN,彈性模量(1.6±0.1)×105MPa。索股、拉索錨頭和拉索耳板采用 40Cr 煅鋼。

3 有限元模型

主橋采用Midas Civil建立有限元計(jì)算模型,如圖3所示。主纜采用只受拉的索單元模擬,桁架及撐桿采用梁單元模擬,全橋共466個節(jié)點(diǎn),1440個單元。用考慮“大位移-小應(yīng)變”的幾何非線性方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。

圖3 主跨橋梁整體圖

3.1 計(jì)算荷載取值及工況選取

永久作用考慮結(jié)構(gòu)重力、預(yù)加力、土的重力與側(cè)壓力(橋臺、基礎(chǔ))。 結(jié)構(gòu)自重及鋪裝重量按實(shí)計(jì)算,欄桿重量為每側(cè) 0.4 kN/m; 橋面鋼格柵荷載:1 kN/m2?？勺冏饔每紤]溫度變化按照升溫 26℃和降溫 29℃計(jì)算,主桁架橫向風(fēng)荷載取1.79 kN/m,人群荷載 3.5 kN/m2,考慮滿載、半幅滿載、半跨滿載三種人群活荷載不利分布情況。荷載組合按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[1](JTG D60—2015)承載能力基本組合、正常使用標(biāo)準(zhǔn)組合及地震組合分別進(jìn)行驗(yàn)算。

3.2 預(yù)應(yīng)力成橋狀態(tài)與纜索找形

預(yù)應(yīng)力成橋狀態(tài)與纜索找形是張弦桁架橋的關(guān)鍵步驟,由撓度控制得出纜索初始索力,在模型上施加初始索力和恒載作用,得到成橋狀態(tài)的預(yù)內(nèi)力與幾何形狀。另外,因本工程的二期恒載較小,基本上僅為格柵橋面、欄桿及少量燈具,故與一期恒載一并計(jì)算。

張弦桁架橋在自重作用下產(chǎn)生變形后達(dá)到平衡狀態(tài),在滿足設(shè)計(jì)要求的垂度和跨徑條件下,計(jì)算主纜的坐標(biāo)和張力的分析一般稱為初始平衡狀態(tài)分析。這是對運(yùn)營階段進(jìn)行線性、非線性分析的前提條件,所以應(yīng)盡量使初始平衡狀態(tài)分析結(jié)果與設(shè)計(jì)條件一致。

本橋的初始平衡狀態(tài)是按橋面跨中最大豎向預(yù)拱為+123mm控制成橋線形,通過調(diào)試懸?guī)С跏紕偠确磸?fù)迭代(等效降溫方式)得到如圖4所示的結(jié)果與設(shè)計(jì)初始值基本一致,將此時(shí)狀態(tài)作為懸?guī)С跏紕偠?降溫-160℃)。

圖4 一次成橋位移(單位:mm)

與此同時(shí)得到成橋狀態(tài)(恒荷載+預(yù)應(yīng)力)主纜拉力1471kN,桁架上弦桿最大軸壓力 545.3kN、下弦桿最大軸壓力 1388.2kN、桁架桿件彎矩33.41kN·m?？缰凶畲筘Q向撓度為+123mm。

3.3 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算

通過表1的荷載占比表和圖5的組合軸力包絡(luò)圖、豎平面內(nèi)、外組合彎矩包絡(luò)圖分析可得橋梁結(jié)構(gòu)在各種荷載工況作用下的基本規(guī)律。

表1 荷載占比表 單位:kN

具體規(guī)律如下:

(1)由于纜索與主桁架形成了閉環(huán)系統(tǒng),所以在各種荷載情況下,主纜與主桁架的軸力都非常均勻,撐桿軸力也比較均勻。

(2)豎向荷載是總體控制荷載,纜索拉力、撐桿軸力及加桁架弦桿軸力基本上隨總豎向荷載的增加而增大。

(3)恒載占最大豎向總荷載的 53%～59.6%,同時(shí)均勻分布活荷載是主桁架的控制荷載。

荷載基本組合包絡(luò)內(nèi)力見表2,構(gòu)件應(yīng)力比見表3。

表2 荷載基本組合包絡(luò)內(nèi)力表

表3 構(gòu)件應(yīng)力比表 單位:kN

由表2、表3可知,桁架下弦桿受力最大值3897.72kN,強(qiáng)度應(yīng)力比為0.97,穩(wěn)定應(yīng)力比為0.838;纜索最大內(nèi)力值為3520.17kN,強(qiáng)度應(yīng)力比為0.65。所有構(gòu)件的強(qiáng)度與穩(wěn)定性均滿足要求,且有一定的富余量。

3.4 結(jié)構(gòu)變形驗(yàn)算

上部桁架梁跨中有+159.2mm(向上)位移,如圖6所示,依據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[2](JTG D64—2015)中的第4.2.3條滿足規(guī)范要求。

圖6 上部桁架梁豎向位移圖(單位:mm)

在風(fēng)荷載下主梁橫向位移115.4mm<600mm,如圖7所示,可不設(shè)置抗風(fēng)纜。

圖7 上部桁架梁橫向位移圖(單位:mm)

3.5 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

按基本組合工況選取最不利狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算,依據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[2](JTG D64—2015)第5.2.2條軸心受力構(gòu)件規(guī)定驗(yàn)算。由表4可知,各構(gòu)件整體穩(wěn)定結(jié)果有足夠的富余量,滿足規(guī)范要求。

表4 按軸心受壓構(gòu)件整體穩(wěn)定驗(yàn)算

4 人致振動研究

依據(jù)德國EN03中建議,本橋位于景區(qū),宜采用1.5人/m2作為動力設(shè)計(jì)的人群密度,按橋長90m和人行道寬3.8m得到的橋上行人總數(shù)設(shè)計(jì)值為513人。為滿足行走舒適性要求,本橋采用EN03中的CL1舒適度標(biāo)準(zhǔn),即豎向加速度限值為0.5m/s2,水平加速度限值為0.1m/s2。

該橋?yàn)橄鲁惺戒撹炝簯宜鳂蝮w系,一階主梁豎向彎曲模態(tài)頻率為 1.024Hz,模態(tài)質(zhì)量約為89 t,豎向加速度峰值達(dá)到2.89m/s2;一階主梁側(cè)向彎曲模態(tài)頻率為 1.437Hz,模態(tài)質(zhì)量約為 169 t,豎向加速度峰值達(dá)到5.47m/s2;一階主梁扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率為 2.042 Hz,模態(tài)質(zhì)量約為 171 t,豎向加速度峰值達(dá)到1.57m/s2。這三階豎向加速度峰值均超過了舒適度標(biāo)準(zhǔn)0.5m/s2。

由人致振動響應(yīng)可知,該人行橋人致振動問題突出,需要采取減振措施[3]。按照最大加速度最小化設(shè)計(jì)了 TMD 的基本參數(shù)控制第一階豎彎模態(tài)的TMD質(zhì)量比取 0.018;控制第三階豎彎模態(tài)的TMD質(zhì)量比取 0.032;控制第五階豎彎模態(tài)的TMD質(zhì)量比取 0.016。

為便于安裝,對每套TMD進(jìn)行了拆分,每個TMD的有效運(yùn)動重量約0.80t(不包括附加結(jié)構(gòu)部分),控制第一階豎向振動的TMD拆分成2個,控制第三階豎向振動的TMD拆分成4個,控制第五階豎向振動的TMD拆分成2個。TMD的安裝位置分別位于主跨1/6、1/4、跨中、3/4、5/6處。每個TMD安裝于鋼桁架上弦桿底部。

5 施工注意要點(diǎn)

目前國內(nèi)關(guān)于大跨徑張弦桁架橋的施工經(jīng)驗(yàn)相對不多,針對這個項(xiàng)目需要考慮以下幾點(diǎn):

(1)橋面梁重約90t,分為9段吊裝,每段重量約10t。因此纜機(jī)額定凈吊重按10t設(shè)計(jì)。

(2)纜索吊主索采用1Φ47.5鋼絲繩,起重索采用1Φ19.5鋼絲繩,走4線布置,牽引索采用1Φ19.5鋼絲繩,走1布置,起重采用5t單筒卷揚(yáng)機(jī),牽引采用5t雙筒摩擦卷揚(yáng)機(jī)。

(3)起點(diǎn)岸索塔位于交接墩后方20m處,終點(diǎn)岸索塔位于交接墩后方8m處;索塔基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ),索塔采用4組大貝雷桁架組成,塔底與基礎(chǔ)鉸接。

(4)主索與扣索共用一個錨碇,錨碇采用樁式錨碇,纜風(fēng)錨碇亦采用樁式錨碇。

(5)橋面梁節(jié)段起吊區(qū)設(shè)在起點(diǎn)岸索塔前方,節(jié)段構(gòu)件散件用吊車拼裝成標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段(約10m),節(jié)段重量控制在10t,由10t纜機(jī)起吊后直接安裝,逐段扣掛。

(6)待橋面梁和撐桿吊裝完畢,安裝梁下纜索(設(shè)置臨時(shí)貓道),纜索線型須略低于成橋線型,以滿足撐桿安裝和纜索后期張拉需要。

(7)為了防止扣索的水平分力使橋面梁產(chǎn)生滑移,需在交接墩頂設(shè)置限位牛腿,防止梁體縱向滑移,同時(shí)在兩岸墩頂設(shè)置臨時(shí)鋼絞線平衡拉索,根據(jù)節(jié)段水平力大小張拉鋼絞線,將墩頂水平力控制在20t以內(nèi),防止墩底開裂。

6 結(jié)論

文章采用Midas Civil有限元分析對一大跨徑張弦桁架橋的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、撓度等進(jìn)行受力分析及人致振動等方面進(jìn)行驗(yàn)算,同時(shí)提供施工方案指導(dǎo),為類似工程提供案例參考。主要結(jié)論如下:

(1)張弦桁架橋結(jié)構(gòu)體系的主纜、主桁架及撐桿軸向受力均勻,均勻分布活荷載是主桁架的控制荷載。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度與穩(wěn)定性均滿足要求,且有一定的富余量,豎向撓度變形小。

(2)在橋跨1/6、1/4、跨中、3/4、5/6處合理布置TMD可以解決橋梁豎向振動頻率不滿足3Hz要求的問題,滿足人致振動CL1舒適度標(biāo)準(zhǔn)。