橋面景觀鋼結(jié)構(gòu)變形計(jì)算分析

陳前玲　崔自力　胥維纖

（陜西水環(huán)境工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院陜西西安710018）

橋面景觀鋼結(jié)構(gòu)變形計(jì)算分析

陳前玲崔自力胥維纖

（陜西水環(huán)境工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院陜西西安710018）

本文借鑒國(guó)內(nèi)外已成橋面鋼結(jié)構(gòu)景觀工程設(shè)計(jì)實(shí)例，對(duì)石堤河橋面鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了景觀造型設(shè)計(jì)，其造型獨(dú)特，外表美觀，受到了外界及行業(yè)內(nèi)的一致好評(píng)，本文采用A N SY S有限元軟件對(duì)橋面鋼結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行模擬，最終在滿足鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變的條件下，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，為今后類似工程提供相關(guān)設(shè)計(jì)參考。

橋面景觀；自重；風(fēng)荷載；車輛荷載

1　工程概況

石堤河河口防汛交通橋南距老西潼公路5km，西南距華縣10km。本次設(shè)計(jì)在現(xiàn)狀石堤河口交通橋上游并排新建預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋一座，長(zhǎng)100m（20m×5跨），橋面寬16.5m，擴(kuò)寬后橋面總寬度為25.5m。橋面功能區(qū)由臨河至背河側(cè)依次為：0.5m欄桿、3.5m人行休閑步道、3m自行車道、1.5m隔離帶、14m行車道、2.5m人行休閑步道、0.5m欄桿。石堤河橋共5跨，本次設(shè)計(jì)橋面鋼結(jié)構(gòu)位于石堤河橋中間3跨，總長(zhǎng)60m，主體由四根φ244.5mm的不銹鋼圓拱鋼管和φ48.3mm、φ244.5mm的系桿組合而成的鋼構(gòu)架，鋼構(gòu)架總高度為12m，跨度60m，位于1～4號(hào)橋墩間，拱腳分別位于1、4號(hào)橋墩處，總寬度為24.65m。

本次設(shè)計(jì)橋面鋼結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)60m，主體由四根φ244.5mm的不銹鋼圓拱鋼管和φ48.3mm、φ244.5mm的系桿組合而成的鋼構(gòu)架，鋼構(gòu)架總高度為12m，跨度60m，總寬度為24.65m。外側(cè)圓拱最大拱高12m，與橋面垂直，外側(cè)圓拱與橋面之間采用間距2m、垂直橋面的φ48.3mm不銹鋼鋼管系桿，為了減輕汽車經(jīng)過(guò)橋面時(shí)引起鋼管振動(dòng)，在外側(cè)圓拱φ48.3mm不銹鋼鋼管系桿距拱頂1.2m處設(shè)計(jì)一道伸縮節(jié)，伸縮節(jié)具體設(shè)計(jì)為：伸縮節(jié)總長(zhǎng)50cm，為φ80mm的不銹鋼套管，其頂部與φ40的鋼管焊接在一起，焊接長(zhǎng)度為5cm，中間預(yù)留15cm的伸縮空間，下部伸入套管內(nèi)30cm；內(nèi)側(cè)圓拱最大拱高9.75m，傾向橋內(nèi)側(cè)的圓弧拱形，內(nèi)側(cè)圓拱采用φ139.7mm的不銹鋼鋼管系桿與外側(cè)圓拱鋼管連接，間距為2m，圓拱鋼管頂部采用4根φ139.7mm的不銹鋼鋼管系桿將內(nèi)側(cè)兩根圓拱鋼管連接。鋼管與橋面連接處底部采用20mm厚的鋼板，位于橋面鋪裝層內(nèi)，要求鋼板與鋪裝層底部鋼筋焊接在一起，并在鋼管周圍采用厚度為20mm的8個(gè)鋼板將鋼管固定，鋼管周圍采用C25混凝土包裹。石堤河橋面景觀鋼結(jié)構(gòu)斷面見(jiàn)圖1。

2　模型建立

2.1計(jì)算軟件介紹

計(jì)算采用國(guó)內(nèi)外通用的結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS，ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。本項(xiàng)目采用ANSYS軟件計(jì)算時(shí)，所涉及到的分析類型如下：

①結(jié)構(gòu)靜力分析：用來(lái)求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。不僅可以進(jìn)行線性分析，而且也可以進(jìn)行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸分析。

②結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析：用來(lái)求解隨時(shí)間變化的載荷對(duì)結(jié)構(gòu)或部件的影響。ANSYS可進(jìn)行的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析類型包括：瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、模態(tài)分析、諧波響應(yīng)分析及隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)分析。

③結(jié)構(gòu)非線性分析：結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變化。ANSYS程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問(wèn)題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。

2.2計(jì)算工況

鋼構(gòu)架結(jié)構(gòu)受力計(jì)算工況：

（1）工況一：自重荷載作用下對(duì)拱架的安全性和拱腳的剛度進(jìn)行校核；

（2）工況二：自重荷載+風(fēng)荷載作用下對(duì)拱架的安全性和拱腳的剛度進(jìn)行校核；

（3）工況三：自重荷載+風(fēng)荷載+汽車荷載作用下對(duì)拱架的安全性和拱腳的剛度進(jìn)行校核。

2.3計(jì)算模型

表1列出了兩種鋼管截面的特性參數(shù)，圖2給出了拱架結(jié)構(gòu)的整體有限元模型圖。

由于拱圈與橋面連接的豎桿設(shè)置了伸縮節(jié)構(gòu)造，基本上可以消除車輛行駛過(guò)程中引起的拱圈的振動(dòng)，而拱角布置在板橋的兩端臺(tái)冒梁處，行車荷載引起的變形比較小，對(duì)拱圈基本無(wú)影響，故對(duì)于橋面景觀結(jié)構(gòu)不再校核行車荷載作用。

圖1　橋面景觀鋼結(jié)構(gòu)斷面圖

圖2　拱架模型

圖3　變形圖

表1　兩種鋼管截面特性參數(shù)表

3　計(jì)算結(jié)果及分析

按照上述有限元計(jì)算模型，對(duì)橋面鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性有限元仿真計(jì)算，得到三種工況下應(yīng)力變形計(jì)算結(jié)果。

工況一：重力作用

由于邊拱的豎桿設(shè)置了伸縮節(jié)，伸縮節(jié)上部豎桿自重由拱圈承擔(dān)，而伸縮節(jié)下部豎桿自重由橋面承擔(dān)。因此，將伸縮節(jié)上部豎桿自重等效為集中載荷，作用于拱圈對(duì)應(yīng)位置。

從圖3可以看出，在重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，最大變形發(fā)生于拱架頂部主側(cè)拱之間的橫桿上，總變形為0.0407m，其中豎向位移為0.0406m。拱架撓跨比為0.0407m/24.5m=1/602，參考《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)程》），空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在恒荷載與活荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下的最大撓度值不宜超過(guò)《規(guī)程》中的容許撓度值。本拱架的撓跨比為1/602，且為單層結(jié)構(gòu)體系，滿足剛度要求。

工況二：重力+風(fēng)荷載作用

由于邊拱的豎桿設(shè)置了伸縮節(jié)，車輛移動(dòng)引起的荷載不會(huì)傳遞到拱架，但豎桿的部分自重及風(fēng)荷載將傳遞給拱架，故在此僅考慮豎桿傳遞的風(fēng)荷載。伸縮節(jié)上部豎桿自重由拱圈承擔(dān)，而伸縮節(jié)下部豎桿自重由橋面承擔(dān)。因此，將伸縮節(jié)上部豎桿自重等效為集中載荷，作用于拱圈對(duì)應(yīng)位置。

可伸縮豎桿會(huì)受到風(fēng)荷載的作用，并且將部分風(fēng)載傳遞給邊拱，部分傳遞給橋面。為計(jì)算方便，將可伸縮豎桿上受到的風(fēng)載一分為二，一半傳給側(cè)拱，一半傳遞給橋面。

從圖4可以看出，在自重和風(fēng)載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，最大變形發(fā)生于頂部連接內(nèi)外拱的橫桿上，總變形0.05384m，其中豎向位移（z向）為0.049988m，y向（橫向，即風(fēng)載作用方向）位移為0.02m。由此可以看出，該拱架側(cè)向剛度足夠。

工況三：重力+風(fēng)荷載+汽車荷載作用

若豎桿伸縮節(jié)失效，則汽車荷載就會(huì)傳遞到拱架，本次分析汽車移動(dòng)荷載作用下拱架的變形、強(qiáng)度及穩(wěn)定承載力。不考慮邊拱豎桿所設(shè)置的伸縮節(jié)，為了便于施加車輛移動(dòng)荷載，將與豎桿連接的一塊邊板納入模型，豎桿與邊板之間剛接，邊板在墩臺(tái)處鉸接。車輛荷載按鉸接板的分布系數(shù)進(jìn)行荷載分配，但考慮到該橋是在舊橋的基礎(chǔ)上加寬，待加寬后，原橋面作為自行車道，行車道在新建橋面，故車輛僅布置在新建橋面，橫向分布系數(shù)計(jì)算中，鉸接板的數(shù)目為16塊板。空心板所承擔(dān)的車輛荷載按荷載橫向分布系數(shù)確定。

多車道橋梁上的汽車荷載應(yīng)考慮多車道折減。當(dāng)橋涵設(shè)計(jì)車道數(shù)等于或大于2時(shí)，由汽車荷載產(chǎn)生的效應(yīng)按表2規(guī)定的多車道折減系數(shù)進(jìn)行折減，但折減后的效應(yīng)不得小于兩設(shè)計(jì)車道的荷載效應(yīng)。本橋四車道，因此，橫向折減系數(shù)本應(yīng)取為0.67。鑒于安全起見(jiàn)，這里不考慮橫向折減系數(shù)。

由于該橋?yàn)殡p向四車道，行車載荷作用下拱架結(jié)構(gòu)響應(yīng)計(jì)算時(shí)，按最不利的四輛車同時(shí)行駛考慮，行駛速度為設(shè)計(jì)速度60km/h，將四輛車各自荷載折算至邊板。車輛荷載僅施加在行車道側(cè)，偏安全的不再考慮對(duì)面?zhèn)热巳狠d荷。

在正常使用極限狀態(tài)下，驗(yàn)算在移動(dòng)車輛荷載作用下拱架的變形情況，考慮如下荷載：拱架自重、車輛荷載、風(fēng)載、人群載荷，按+0.75S風(fēng)進(jìn)行組合。車輛行駛速度為設(shè)計(jì)速度60km/h，拱架下的橋面長(zhǎng)為60m，再加上車身長(zhǎng)度，車輛從進(jìn)入至離開(kāi)橋面共需4.392s。結(jié)果表明，當(dāng)兩輛上行車與兩輛下行車行駛至第二跨跨中附近時(shí)，節(jié)點(diǎn)71在1.2s變形達(dá)到最大值，最大變形量為0.0435m，拱架撓跨比為0.0445m/24.5m=1/551，滿足《規(guī)程》中的容許撓度值，且為單層結(jié)構(gòu)體系，故滿足剛度要求。

表2　橫向折減系數(shù)

4　結(jié)論

本次計(jì)算僅對(duì)景觀結(jié)構(gòu)的變形進(jìn)行了分析，提出了滿足要求的設(shè)計(jì)方案，但未對(duì)整體穩(wěn)定性、細(xì)部設(shè)計(jì)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，如構(gòu)件之間焊縫、拱角與橋面的連接。建議鋼件之間采用連續(xù)焊焊縫連接，焊縫尺寸擬根據(jù)分析得到內(nèi)力按焊縫承載力計(jì)算確定；拱角尺寸及基礎(chǔ)承載力按雙向偏小受壓柱腳設(shè)計(jì)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)三種工況計(jì)算，結(jié)果表明：風(fēng)荷載和車輛荷載對(duì)鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響是不容忽視的，今后在做類似工程時(shí)一定要注意風(fēng)荷載及車輛荷載對(duì)橋面鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響。陜西水利

圖4　重力載荷+風(fēng)載拱架變形圖

（責(zé)任編輯：暢妮）

U448.11

B