汾河景觀橋力學性能分析

吳 鑫

(太原市市政工程設計研究院，山西 太原 030002)

1 工程概況及計算模型的建立

正在修建的古交市火山新區汾河景觀橋梁工程是連接汾河兩岸的重要交通工程，同時也是汾河上的重要景觀節點，建成后將成為古交市標志性的建筑(見圖1)。該橋為下承式連續梁拱組合體系橋，跨徑布置為(28+36+80+36+28)m，全橋總長為218 m，橋面標準寬度為27 m，在橋臺兩端15 m范圍內，橋寬由27 m按直線漸變為41.04 m(見圖2)。主梁采用大懸臂變截面預應力混凝土連續箱梁，標準段截面為單箱四室斜腹板截面形式，加寬段為單箱六室結構，中跨梁高由4.5 m漸變到2.2 m，邊跨梁高由4.5 m漸變到1.8 m，梁高漸變曲線均采用2.5次拋物線。拱肋采用鋼箱拱，主拱在橫斷面內呈6°V形布置(單側拱與豎直面成3°夾角)，拱肋沿橋梁中心線和橋跨中心線對稱布置，拱平面內，主拱拱軸線為5次拋物線，矢跨80 m，矢高20.9 m，面內矢跨比約為1/3.828，拱肋采用矩形截面，靠橋梁中心線側設倒角，拱肋截面高度和倒角均沿拱軸線均勻變化，拱頂處頂截面寬1.2 m，斷面高2.5 m，拱底處頂截面寬1.2 m，斷面高2.25 m。主梁及拱座均采用C50混凝土，鋼拱采用Q345E鋼材。吊索設計考慮到疲勞、吊裝及可更換性(無需中斷交通)，吊索均采用HDPE護套的φ7.0 mm鍍鋅高強度平行鋼絲吊索，吊索上下端錨頭均為冷鑄錨，本橋共設置14對吊索，沿橋軸水平向吊點標準中心距為4.5 m和5 m，在主拱平面內斜向布置，且關于主跨中心對稱布置。主橋橋墩采用C40混凝土，樁基礎及承臺均采用C30混凝土。由于該景觀橋梁拱腳固結在箱梁腹板內，拱肋的受力與箱梁的受力互相影響，受力較復雜，為了確保橋梁的安全，需要對該橋的設計進行結構靜力、抗震性能及穩定性分析[2-5]。

采用有限元軟件Midas Civil進行建模，在橋梁有限元建模中，結合類似橋梁的建模經驗[6-8]，橋梁各構件均采用梁單元模擬，橋梁有限元計算模型如圖3和圖4所示。材料等參數根據現行橋梁相關設計規范確定。邊界條件的模擬按照選用的支座參數進行模擬，荷載的施加按照實際情況進行施加。橋梁所承受的車道荷載和人群荷載按照規范輸入即可；主梁縱向預應力鋼束根據鋼束形狀的空間坐標輸入到Midas Civil中，并施加預應力荷載，程序自動計算預應力損失；混凝土的收縮、徐變通過定義材料參數，并定義施工階段，由程序自動計算。

2 橋梁結構分析

2.1 結構靜力計算

為了對火山新區汾河景觀橋進行力學性能分析，采用3種不同荷載工況進行計算：荷載工況1：恒載+溫度+沉降；荷載工況2：恒載+活載(汽車和人群)+溫度；荷載工況3：恒載+活載(汽車和人群)+溫度+沉降。

根據以上3種計算工況，計算了該橋的靜態力學性能，分析計算結果，該橋在成橋狀態下，箱梁和拱圈總體處于受壓狀態，在3種工況下，箱梁應力最大計算值為-7.38 MPa(負號表示受壓，下同)，應力最小計算值為-1.30 MPa，且小于C50混凝土的抗壓強度，滿足規范要求。剪力計算結果均滿足規范要求。由于預應力和吊桿力的作用，彎矩圖與普通連續梁橋有不同，在第二根吊桿附近出現較大的負彎矩，在拱腳處彎矩出現突變，這是因為拱肋和箱梁腹板剛接的原因；整座橋的變形以豎向變形為主，箱梁的位移最大值為-53 mm，均小于設計值的豎直向下位移，通過設置一定的預拱度，滿足設計線形要求。拱肋整體以受壓為主，應力在拱肋分布較均勻，拱腳處應力較大，拱肋中心應力較小，拱肋應力最大計算值為-135.43 MPa(負號表示受壓，下同)，應力最小計算值為-20.21 MPa，拱肋中心最大豎向位移為-29 mm，吊桿受力中間最大，兩側最小，最大值為862 kN，最小值569 kN，均滿足規范和設計要求。

2.2 抗震性能計算

采用空間模型計算該橋的自振特性，通過Lanczos法計算橋梁結構的動力特性，表1只給出該橋前5階自振結果，該橋橋墩縱向剛度小于橫向剛度，同時拱肋和箱梁相比，拱肋剛度較小，橋面板橫向剛度遠大于豎向剛度，各階振型特征比較復雜。

表1 主橋振動特性

2.3 拱肋穩定性分析

針對該橋的特點建立有限元模型，對該橋進行成橋階段的屈曲穩定分析，研究了橋梁結構的空間穩定性問題[9]，分析結果表明：該橋成橋狀態下第1階失穩模態為拱肋面外側傾屈曲失穩，形狀似半個正弦波，該拱的橫向剛度小于豎向剛度，拱腳處由于嵌固在箱梁中腹板中，以及拱腳自身具有較大的剛度，拱腳處的穩定性均有很大的提高，成橋階段拱肋的第1階彈性屈曲安全系數為7.42，根據相關文獻的研究成果，橋梁穩定安全系數的取值不宜小于4[10]，滿足一般拱橋穩定系數大于4～5的要求。

3 結語

針對古交市火山新區汾河景觀橋的結構自身特點，使用Midas Civil對該橋分別進行靜力和動力特性分析，橋梁各構件受力良好，橋梁整體線形控制較好，滿足使用和對景觀的要求。該橋的設計兼顧橋梁美學與工程經濟性的要求，結構形式新穎，空間立體感強，與周圍環境融為一體，建成后將成為古交市火山新區汾河上的一座標志性的建筑。