沙尾左江特大橋主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及受力分析

曾有鳳　羅富元

摘要：沙尾左江特大橋主橋是主跨為360 m的中承式鋼管混凝土提籃拱橋，為世界最大跨度的公路鋼管混凝土提籃拱橋。文章介紹了該橋主橋主要構(gòu)件設(shè)計(jì)要點(diǎn)，通過有限元軟件程序，對(duì)主拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力、動(dòng)力及穩(wěn)定性分析。計(jì)算結(jié)果表明：主橋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定及動(dòng)力性能均較優(yōu)。

關(guān)鍵詞：沙尾左江特大橋;提籃拱橋;主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);靜力分析;動(dòng)力分析

中國分類號(hào)：U442文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

近年來，鋼管混凝土拱橋在我國的建設(shè)得到大力發(fā)展，已建及在建的有400余座[1]。鋼管混凝土拱橋是以鋼管和混凝土組成的組合結(jié)構(gòu)為主拱肋，共同承受外荷載的一種橋型，主拱肋的主要受力特點(diǎn)是偏心受壓，能充分發(fā)揮鋼材和混凝土兩種材料各自的優(yōu)點(diǎn)。鋼管混凝土拱橋因其受力性能的優(yōu)越性和施工的便利性，使得該類橋型不斷向更大跨徑發(fā)展[2-3]。對(duì)于大跨徑鋼管混凝土拱橋，橫向穩(wěn)定問題往往是工程師關(guān)注的重要問題，合理傾角的提籃拱橋可有效提高橫向穩(wěn)定性[4-5]。本文以沙尾左江特大橋?yàn)槔榻B主橋主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)、靜力、動(dòng)力及穩(wěn)定性分析成果，為同類橋梁工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

沙尾左江特大橋是南寧南過境線（吳圩機(jī)場(chǎng)至隆安段）公路上的一座特大橋，橋位位于崇左市扶綏縣龍頭鄉(xiāng)沙尾村東北方向約300 m處，跨越左江，是吳隆路上的重要控制性工程。橋位區(qū)地震基本烈度為7度，抗震設(shè)防烈度為8度。

沙尾左江大橋橋梁全長(zhǎng)968.5 m，跨徑布置為3×（3×40） m預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁+1×360 m中承式鋼管混凝土提籃拱+2×（3×40） m預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁。主橋中心樁號(hào)為K23+182.454，采用中承式鋼管混凝土提籃拱橋，計(jì)算跨徑為340 m，主橋長(zhǎng)為360 m，為世界最大跨度的公路鋼管混凝土提籃拱橋。主拱提籃傾角為10°，以拱腳鉸心連線為軸線向橋軸線方向內(nèi)傾，拱腳鉸心中心間距為38 m。主橋橋面標(biāo)準(zhǔn)橫斷面寬度為38.5 m，雙向四車道，兩側(cè)分別設(shè)置2.5 m的人行道。下頁圖1、圖2分別為主橋橋型總體布置圖和主橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖。

2 主橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主拱肋結(jié)構(gòu)

主拱肋計(jì)算跨徑為340 m，主拱面內(nèi)計(jì)算矢高為75 m，計(jì)算矢跨比為1/4.533。拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.55，內(nèi)傾角θ=10°。單片拱肋為變高度四管桁式結(jié)構(gòu)，拱頂、拱腳截面徑向高分別為7 m、12 m，肋寬3.2 m。每片拱肋由四肢管徑1 200 mm的鋼管混凝土弦管和管徑720 mm的綴管、管徑610 mm的豎向腹桿鋼管組成。拱肋上弦管壁厚24 mm，下弦管從拱頂?shù)焦澳_壁厚依次為24 mm、28 mm、32 mm。主弦管鋼材為Q345qC，其余鋼管均為Q345C鋼材，主弦管內(nèi)灌注C60自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土。單根拱肋分16個(gè)節(jié)段加工制作及安裝，節(jié)段最大吊裝重量為138.4 t。

2.2 橫撐結(jié)構(gòu)

主拱肋橫撐采用剛度較大、便于安裝的X型橫撐。全橋橋面以上上弦平面共設(shè)置12組橫撐，下弦平面共設(shè)置10組橫撐，均為900×18 mm鋼管，橫撐鋼管材料為Q345C鋼材。

2.3 吊索體系

吊索采用15.2 mm環(huán)氧噴涂鋼絞線整束擠壓成型吊索體系，全橋共24對(duì)吊索，張拉端錨固在主拱上弦上緣，錨固端錨固在主橫梁的下翼緣。吊索縱向間距為12.4 m。

2.4 橋面系

橋面梁采用鋼格子梁的鋼-混凝土組合橋面板，橋面鋼格子梁由兩道主縱梁、五道次縱梁與吊索處的主橫梁及三道次橫梁組成。主橫梁順橋向設(shè)置與吊桿、拱上立柱、肋間橫梁及交界墩相對(duì)應(yīng)，除端橫梁采用箱形截面外，其余均采用工字型截面。主橫梁標(biāo)準(zhǔn)間距為12.4 m，次橫梁標(biāo)準(zhǔn)間距為3.1 m;主橫梁橋梁中心線處梁高2.2 m，頂板厚20 mm，底板厚30 mm、36 mm、42 mm;主縱梁采用工字形截面，底板厚30 mm，頂板厚20 mm;次橫梁、次縱梁底板厚20 mm，頂板厚20 mm。鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的橋面底面鋼板厚度為10 mm，橋面板標(biāo)準(zhǔn)總厚度（不含鋼底板）為14 cm，承托處的總厚度為24 cm。鋼-混凝土組合橋面板的水泥混凝土采用C40鋼纖維混凝土，鋼纖維摻量為50 kg/m3。

2.5 拱座及基礎(chǔ)

主墩基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)，基底落在完整基巖上，采用明挖施工，現(xiàn)澆混凝土。主墩基礎(chǔ)采用C30混凝土，拱座采用C40混凝土，封拱腳部分采用C50鋼纖維混凝土，鋼纖維摻量為50 kg/m3。兩岸拱座均為分離式基礎(chǔ)，平行橋軸線方向布置，基礎(chǔ)橫橋向?qū)挾葹?2.7 m，縱橋向?qū)挾葹?3 m，吳圩岸基礎(chǔ)高13 m，隆安岸基礎(chǔ)高8 m。

3 主橋結(jié)構(gòu)靜力分析

3.1 計(jì)算模型

主橋結(jié)構(gòu)整體靜力分析采用Midas Civil 2019軟件建立三維有限元模型。主拱肋采用鋼-混組合截面模擬，吊桿采用桁架單元模擬，拱肋、腹桿、橫撐采用梁?jiǎn)卧M，主梁采用梁?jiǎn)卧c板單元組合模擬，封拱腳前拱腳邊界條件為鉸接，封拱腳后拱腳邊界條件為剛接，其余梁底約束按實(shí)際支座布置情況模擬。全橋共5 824個(gè)節(jié)點(diǎn)，11 418個(gè)單元，根據(jù)施工過程共分15個(gè)施工階段。圖3為全橋空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型示意圖。

3.2 強(qiáng)度驗(yàn)算

3.2.1 承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對(duì)運(yùn)營階段主拱肋單管抗壓承載能力和主梁應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算。

（1）主弦管驗(yàn)算

主弦管主要截面的單管抗壓承載能力驗(yàn)算結(jié)果如表1～2所示。計(jì)算結(jié)果表明，運(yùn)營階段基本組合下主拱最不利截面抗力為54 174 kN，最小安全系數(shù)為1.024，主拱肋上、下弦桿承載力均滿足規(guī)范要求。

（2）主梁驗(yàn)算

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)段主梁應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果如表3所示，表中數(shù)值考慮了結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)。從表3可以看出，主梁構(gòu)件最大拉應(yīng)力為234.3 MPa，最大壓應(yīng)力為248.6 MPa，均滿足規(guī)范要求。

3.2.2 正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

頻遇組合及準(zhǔn)永久組合下，對(duì)主弦管鋼材及管內(nèi)混凝土進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算。計(jì)算結(jié)果表明，主拱弦管鋼材最大壓應(yīng)力為193 MPa，位于下弦管拱腳處;主拱弦管管內(nèi)混凝土最大壓應(yīng)力為26 MPa，位于下弦管拱腳處。拱肋混凝土容許應(yīng)力為36.2 MPa，主拱鋼材的容許應(yīng)力為295.0 MPa，皆大于拱肋構(gòu)件實(shí)際應(yīng)力，驗(yàn)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

3.3 剛度驗(yàn)算

（1）主拱剛度

主拱最大豎向向上變形為28.381 mm，最大豎向向下變形為-37.319 mm，撓度合計(jì)65.70 mm，主拱容許豎向撓度為360 000/1 000=360.0 mm，主拱剛度滿足要求。

（2）主梁剛度

主梁最大豎向向上變形為28.48 mm，最大豎向向下變形為-72.76 mm，撓度合計(jì)101.24 mm，主梁容許豎向撓度為360 000/800=450 mm，主梁剛度滿足要求。

3.4 穩(wěn)定驗(yàn)算

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，運(yùn)營階段主橋的彈性穩(wěn)定分析結(jié)果見表4，前四階失穩(wěn)模態(tài)見圖4～7。從表4可以看出，主橋的穩(wěn)定安全系數(shù)為8.314>4，結(jié)構(gòu)整體靜力穩(wěn)定性能較好。

3.5 基礎(chǔ)驗(yàn)算

拱座基礎(chǔ)按嵌入完整中風(fēng)化石灰?guī)r或破碎石灰?guī)r設(shè)計(jì)，根據(jù)主橋總體計(jì)算模型，將上部結(jié)構(gòu)傳遞的反力施加到拱座及基礎(chǔ)上，并考慮拱座及基礎(chǔ)的自重與重心，對(duì)拱座基礎(chǔ)的抗滑穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性和基底應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算。

不考慮浮力時(shí)，最不利荷載工況，基底抗滑穩(wěn)定系數(shù)為2.04，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為5.73，基底前趾、后趾均受壓，最大壓應(yīng)力為993 kPa;考慮浮力時(shí)，最不利荷載工況，基底抗滑穩(wěn)定系數(shù)為1.40，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為3.92，基底前趾、后趾均受壓，最大壓應(yīng)力為774 kPa。計(jì)算結(jié)果表明，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

4 主橋結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

分析和認(rèn)識(shí)橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性是進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能分析的基礎(chǔ)和重要環(huán)節(jié)。如表5所示，列出了左江沙尾特大橋主橋主要振型及對(duì)應(yīng)的周期和頻率。由表5可知，橋梁結(jié)構(gòu)的基本周期為13.40 s。限于篇幅，本文僅給出第1階振型圖，如圖8所示。

由于全橋支座在順橋向均采用活動(dòng)支座，在地震作用下，主梁易產(chǎn)生縱飄，引起較大的順橋向位移。為了有效減小主梁的縱向位移，主橋在交界墩位置設(shè)置了液壓粘滯阻尼器。經(jīng)分析選型，最終確定阻尼器的阻尼系數(shù)為1 000 kN/（m/s）0.3，設(shè)計(jì)行程為300 mm。

5 結(jié)語

本文介紹了沙尾左江大橋主橋主要構(gòu)件設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并基于有限元程序?qū)χ鞴敖Y(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力、動(dòng)力及穩(wěn)定性分析，計(jì)算結(jié)果表明：

（1）沙尾左江大橋主橋各構(gòu)件的材料、尺寸設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、可靠，能夠?yàn)橥悩蛄汗こ淘O(shè)計(jì)提供參考。

（2）主橋采用中承式鋼管混凝土提籃拱橋，提籃傾角為10°，結(jié)構(gòu)受力合理，主拱剛度安全系數(shù)為5.48，主梁剛度安全系數(shù)為4.44，結(jié)構(gòu)剛度較大。

（3）主橋的穩(wěn)定安全系數(shù)為8.314，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性能較好。

（4）地震作用下主梁易產(chǎn)生縱飄，引起較大的順橋向位移。為此，在交界墩位置設(shè)置了液壓粘滯阻尼器，通過阻尼器的減震耗能，減小主梁位移。

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