雁鹽黃河大橋結構分析

曹會蘭 梁 艷

(1.中冶京誠工程技術有限公司，北京 100070； 2.河北交通職業技術學院，河北 石家莊 050035)

雁鹽黃河大橋結構分析

曹會蘭1梁 艷2

(1.中冶京誠工程技術有限公司，北京 100070； 2.河北交通職業技術學院，河北 石家莊 050035)

對雁鹽黃河大橋成橋狀態進行了結構分析，并采用SAP有限元分析程序，利用虛功原理方法計算了主拱肋及副拱肋控制截面的內力影響面，繪制了主拱控制截面的內力包絡圖，同時在橋梁橫向計算中考慮橫向預應力及人群活載的效應，對主橋控制截面進行了成橋狀態各種分析和驗算，以供參考。

鋼管混凝土拱橋，有限元，內力分析，虛功原理

1 成橋狀態結構靜力分析

1.1 全橋結構分析有限元模型的建立

1)全橋結點、單元劃分及坐標計算。本橋采用靜、動力有限元結構分析程序進行結構計算分析。主拱肋采用三維梁單元模擬，吊桿和系梁采用三維桿單元模擬，系梁的初張力按單元降溫模擬。全橋共劃分了704個節點、981個單元(見圖1)。

2)單元特性計算。毛截面幾何特性是計算結構內力及變形的前提。本橋采用AutoCAD中面域/質量特性計算出各單個截面的毛截面幾何特性，然后將鋼截面換算成混凝土截面。

1.2 結構自重與二期恒載計算

橫梁計入預制槽形板后的恒載集度即為結構自重(也稱為一期恒載自重)。

二期恒載集度為橋面鋪裝與護欄恒載集度之和。本橋的二期恒載取值為82 kN/m。

1.3 全橋結構活載計算

汽車荷載由車道荷載和車輛荷載組成。車道荷載由均布荷載和集中荷載組成。橋梁結構的整體計算采用車道荷載；橋梁的橫向計算采用車輛荷載。

1)本橋采用四車道，車道折減系數為：ξ=0.67。本橋采用公路Ⅰ級車道荷載，均布荷載標準值為qk=10.5 kN/m，pk=360 kN。由杠桿原理并考慮車道折減系數，可以得出各縱梁所承擔的荷載：

F1=312.480 0 kN，F2=482.40 kN，F3=169.920 0 kN，q1=9.114 0 kN/m，q2=14.07 kN/m，q3=4.956 0 kN/m。

2)主拱控制截面內力影響面計算及其加載。

計算各截面可變荷載內力以繪制影響面為主，可以采用靜力法或機動法(利用虛功原理)繪制影響面。影響面的圖形也可通過施加一組節點荷載即可得到指定截面的內力影響面(見圖2)。

在主梁活載內力影響面上的最不利荷載工況上動態加載可求得活載最大內力Sp。

3)內力結果整理與分析。

恒載及車道荷載在各控制截面產生的內力見表1。

表1 恒載及車道荷載在各控制截面產生的內力

4)橋墩影響面計算及其加載。

橋墩影響面采用機動法繪制。機動法作影響面的依據是理論力學中所講過的虛位移原理，即剛體體系在力系作用下處于平衡的必要和充分的條件是：在任何微小的虛位移中，力系所作的虛功總和為零。欲作某一反力或內力X的影響面，只需將與X相應的聯系去掉，并使所得體系沿X的正方向發生單位位移，則由此得到的荷載作用點的豎向位移圖即代表X的影響面。這種作影響面的方法便稱為機動法。繪制影響面的目的是為了利用它來確定實際移動荷載對于某一量值的最不利位置，從而求出該量值的最大值。恒載及車道荷載在墩控制截面產生的內力見表2。

表2 恒載及車道荷載在墩控制截面產生的內力 kN

1.4 主拱控制斷面內力組合

結構計算中，通常需要求出在恒載和活載共同作用下，各截面的最大、最小內力，以此作為設計或檢算的依據。聯結各截面的最大、最小內力的圖形，稱為內力包絡圖。

1)內力組合見表3。

表3 內力組合

2)內力包絡圖繪制見圖3,圖4。

2 橋面橫梁應力分析

2.1 橫梁有限元模型的建立

首先對結構進行節點、單元劃分以及坐標計算，給定典型構件的單元特性，建立了橫梁平面模型。在橫梁計算中，考慮了橫向預應力及人群活載的效應。

1)預應力計算。

預應力混凝土構件在正常使用極限狀態計算中，預應力損失包括：預應力鋼筋與管道壁之間的摩擦σl1(后張法)；錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮σl2；預應力鋼筋與臺座之間的溫差σl3(先張法)；混凝土的彈性壓縮σl4；預應力鋼筋的應力松弛σl5；混凝土的收縮和徐變σl6。扣除預應力損失之后的有效預應力值σcon-σ損失應滿足：0.55fptk≤σ有效≤0.65fptk。

本橋預應力鋼筋采用后張法7根φ5或7根φ4鋼絞線,fptk=1 860 MPa，σcon=0.75fptk，為了簡便計算取σ有效=0.57fptk=1 060.2 MPa。

2)恒載、汽車及人群荷載在各控制斷面產生的內力結果見表4。

2.2 橫梁最不利荷載工況計算

表4 恒載、汽車及人群荷載在各控制斷面產生的內力結果

3 承載能力極限狀態計算

1)主拱典型斷面正截面承載能力驗算(L/4，L/2)。

邊拱正截面承載能力為：φfscAsc=8.091 94×104kN，荷載組合作用下產生的最大內力值為：Nmax=15 732.6 kN<φfscAsc；中拱正截面承載能力為：φfscAse=8.091 94×104kN，荷載組合作用下產生的最大內力值為：Nmax=26 459.4<φfscAsc。結果表明：驗算均滿足要求。

2)橋墩基礎承載能力驗算。

單樁承載力[P]=9 132.94 kN，經過荷載組合：邊墩：P=6 557.44 kN<[P]，中墩：P=8 690.27 kN<[P]。

4 橋梁結構撓度驗算

1)縱梁撓度驗算。

中跨縱向撓度：

邊跨縱向撓度：

2)橫梁撓度驗算。

橫向撓度：

[1] 康谷貽.混凝土設計原理[M].北京:中國建筑工業出版社,2002.

[2]JTGD60-2004，公路橋涵設計通用規范[S].

[3]JTGD62-2004，公路鋼筋混凝土橋涵設計規范[S].

Structure analysis of Yanyan Huanghe bridge

CAO Hui-lan1LIANG Yan2

(1.CapitalEngineeringandResearchIncorporationLimited,Beijing100070,China;2.HebeiJiaotongVocational&TechnicalCollege，Shijiazhuang050035,China)

This thesis is to analyse the frame which is directed at the Yanyan Huanghe bridge. SAP is used to calculate the internal force influence field of main and sub arch ribs’ critical section by way of utilizing finite element analysis program and principle of virtual work. The inner force envelope was drew. In the calculation of cross section, the effect of cross prestress and pedestrian load were considered, and various sorts of analysis and checking of existing state were done, for reference.

concrete filled steel tube arch bridge， finite element， internal force analysis， principle of vitual work

1009-6825(2014)22-0185-02

2014-04-26

曹會蘭(1982- )，女，博士，工程師; 梁 艷(1982- )，女，講師

U448.225

A