楊毅輝　耿文賓　陶憲坤　劉娜

【摘? ? 要】：針對大跨度鋼桁梁懸索橋成橋應力復雜的問題，采用 Midas Civil有限元分析軟件，以某在建公鐵兩用懸索橋為例，通過對大跨度公鐵兩用懸索橋關鍵構件的應力和變形進行力學分析，提出大跨度公鐵兩用懸索橋成橋狀態和運營階段關鍵部位力學特點，判定結構的安全狀態。

【關鍵詞】：公鐵兩用；懸索橋；大跨度；受力分析

【中圖分類號】：U448.25【文獻標志碼】：C【文章編號】：1008-3197（2023）01-31-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.01.009

Design and Static Analysis of Long-span Highway-railway Suspension Bridge

YANG Yihui1， GENG WenBin1， TAO Xiankun1， LIU Na1

（1. China Construction Sixth Engnineering Division Co. Ltd.， Tianjin 300451， China； 2. Beijing Xinhangcheng Development and

Construction Co. Ltd.， Beijing 102611， China； 3. Beijing Dongtai Xiangbo Engineering Technology Co. Ltd.， Beijing 102606， China）

【Abstract】：Aiming at the complex stress issue of long-span steel truss suspension completed bridge， the paper adopts the Midas Civil finite element analysis platform and takes a highway-railway suspension bridge under construction as an example， Through the force analysis of the stress and deformation of key components， the paper proposes the mechanical characteristics of the key parts of the long-span highway-railway suspension bridge at the completion state and operation stage to determinethe structural safety state.

【Key words】：service for highway-railway； suspension bridge； long-span； force analysis

隨著經濟的發展和建造技術的進步，橋梁建設技術水平大幅提升，橋梁的跨度越來越大。相比于斜拉橋，懸索橋的跨越能力更強，單跨最大跨徑已突破2 000 m[1]。近年來，公軌（鐵）兩用懸索橋受到了設計師和學者的廣泛青睞，與公路懸索橋相比，公軌（鐵）兩用懸索橋的起步要稍晚。公軌（鐵）兩用懸索橋屬于空間復雜、柔性大、超靜定結構，設計與施工難題多，目前還沒有統一的規范[2～4]，精確地對懸索橋結構進行力學分析并研究關鍵部位的力學特性具有十分重要的意義。本文以實際工程為例，建立空間有限元模型，分析大跨度懸索橋成橋狀態和運營階段關鍵部位力學特點。

1 工程概況

某公軌兩用跨長江大橋主橋為僅主跨懸吊的雙塔三跨連續鋼桁梁懸索橋，鋼桁梁跨徑布置為75 m+720 m+75 m，上層是雙向8車道公路交通，下層是雙向2車道軌道交通。南北岸引橋均采用預應力混凝土連續箱梁，其中北引橋跨徑布置為4×43 m，南引橋跨徑布置為3×43 m+4×43 m。見圖1。

主橋鋼桁梁采用三跨連續體系，在橋塔及端部設置豎向支撐，縱向不約束；橋塔處設置橫向抗風支座及液壓黏滯阻尼器；在主跨跨中與主纜間設置柔性中央扣以提高結構縱向剛度，減小列車高速制動下的主梁縱向位移。

大橋主纜采用工藝成熟的平行鋼絲預制束股法（PPWS）制作和架設，其中主纜采用公稱直徑為5.25 mm、公稱抗拉強度為1 770 MPa的鍍鋅高強度鋼絲，其技術指標應符合設計及GB/T 17101—2008《橋梁纜索用熱鍍鋅鋼絲》的規定。

普通吊索和中央扣斜吊索采用公稱直徑為7.0 mm、公稱抗拉強度為1 770 MPa的鍍鋅高強度鋼絲，其技術指標應符合設計及GB/T 17101—2008的規定。

主桁構件、橋面系構件材質主要為Q345qD、Q420qE兩種，板厚＜50 mm時采用Q345qD，板厚≥50 mm時采用Q420qE，應符合GB 714—2015《橋梁用結構鋼》的要求。高強度螺栓為10.9s級，螺栓、螺母、墊圈等均應符合GB /T 1231—2006《鋼結構用高強度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈與技術條件》的要求。鋼板厚度應符合GB/T 709—2006《熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及允許偏差》B類鋼板要求并對厚板按≮10%的比例進行超聲波探傷。

鋼材的屈服強度σs根據GB 714—2015確定，設計安全系數K=1.7，容許應力按照不同板厚取［σ」=σs/K。

2 技術標準

2.1 整體標準

橋梁主體結構設計使用年限100? a，其他損壞、修復不影響軌道交通正常運營的結構設計使用年限為50? a。鋼結構防腐體系使用年限為20 a，支座主要構件使用年限為50 a，伸縮縫主要構件使用年限為40 a，易損構件及其他附屬結構使用年限為15 a。

地震基本烈度6度；地震動峰值加速度：E1地震作用下，地震動水平峰值加速度為0.088g；E2地震作用下，地震動水平峰值加速度為0.127g。

設計風速：離地面10 m 高，重現期100? a，10 min 平均最大風速27.5 m/s。

設計水位：1/300的設計洪水位196.57 m，考慮三峽水庫運行100 a泥沙淤積后最高通航水位192.00 m，最低通航水位155.64 m。

航道等級及通航標準：內河Ⅰ-（2）級航道，單孔雙向通航，航道凈寬320 m，預留凈高24 m。

設計環境類別：Ⅰ類（溫熱地區的大氣環境。與無侵蝕性的水或土接觸的環境）。

2.2 公路交通標準

道路等級為城市快速路；行車速度80 km/h；荷載標準為城-A級，人群荷載取值為2.875 kN/m2；橋面總寬37 m，其中人行道寬2.0 m、車行道寬15.5 m、隔離帶寬2.0 m，車行道15.5 m，人行道寬2.0 m；橋面橫坡2.0%，縱坡雙向均為0.5%。

2.3 下層軌道交通

雙向軌道交通最高設計運行速度均為100 km/h，軌道間距5.2 m；采用八輛編組的As型車，最大軸重150 kN；軌道車站范圍內活荷載8 kN/m2（設備區）、4.0 kN/m2（公共區）；軌道縱坡雙向均為0.5%；軌面以上凈高7.0 m。

3 模型建立

采用 Midas Civil 2021軟件建立有限元模型。采用僅受拉的索單元對主纜、吊桿進行模擬；采用考慮剪切的空間梁單元對鋼桁梁進行模擬；主塔和鋼桁梁橫向主梁考慮截面變化，采用變截面梁單元進行模擬。全橋計算模型共建立5 286個節點，梁、索單元共計11 802個。見圖2和表1。

有限元模型中未對錨碇和主塔塔根進行建模模擬，為簡化建模直接采用 6個自由度受約束的一般支承邊界條件，對4個關鍵點構成固定端；鋼桁梁在橋塔和梁端位置處采用彈簧單元對豎向支座進行模擬，吊桿與鋼桁梁之間的連接采用剛性連接。

4 結構分析

4.1 主纜

主纜單根索股采用127絲5.25 mm鋼絲，共135股，截面面積A=371 147.02（mm2）。對成橋和運營階段的主要組合應力狀態下主纜強度進行分析，設計安全系數要求≮2.5。見圖3和圖4。

運營階段主纜軸向拉力最大，為245 290.6 kN，主纜計算出來得最小安全系數γ=1 770×371 147.02 / （249 277×10）=2.64>2.5，主纜結構強度滿足設計要求。

4.2 吊桿

吊索采用工藝成熟的預制平行鋼絲束，單根靠塔側南北岸對稱的4根吊索由139絲?7mm 鍍鋅高強鋼絲構成，其他吊索由109絲?7mm 鍍鋅高強鋼絲構成，采用鋼絲的標準抗拉強度1 770 MPa。吊索在成橋和運營階段時主要荷載組合作用下，其設計強度安全系數≮3.0。見圖5和圖6。

運營階段時計算的吊桿軸向拉力最大，為4 856.7 kN，吊桿最小安全系數γ=18 936 /4 856.7=3.90>2.5，吊桿強度滿足設計要求。

4.3 鋼桁梁主要桿件

鋼桁梁最大應力約210.9 MPa，發生在中跨最中間吊索處斜支撐桿件上；在模型中鈍化掉中跨最中間吊索處斜支撐，鋼桁梁最大應力約191.3 MPa，發生在主塔支座位置。見圖7和圖8。

可見懸索橋中跨跨中位置設置中央扣件對鋼桁梁受力有一定影響[5]。

4.4 變形

運營階段荷載作用下，主梁最大向下撓度 1.231 m，小于設計建議限值L/400（L為梁的長度），滿足設計要求。見圖9。

5 結語

本文采用 Midas Civil有限元計算軟件對某在建長江大橋公軌兩用懸索橋進行計算分析，研究了該橋成橋狀態和運營階段關鍵部位力學特點，判定了結構安全狀態，結構強度和剛度均滿足設計要求，可為大跨度懸索橋設計提供參考。

參考文獻：

[1]陳進昌，雷俊卿，金? ? 令，等.千米級大跨公鐵兩用懸索橋結構特性及剛度指標研究[J].鐵道標準設計，2022，66（6）：54-61.

[2]付文宣，袁燦，張? ? 克，等. 五峰山長江大橋主塔橫梁支架設計與施工關鍵技術[J].施工技術（中英文），2022，51（6）：19-23+35.

[3]陳? ? 亮，劉? ? 建，羅? ? 勝. 結構參數對大跨度公鐵兩用懸索橋動力特性的影響研究[J]. 湖南交通科技，2019，45（3）：82-86.

[4]趙有紅，高玉清，張? ? 榮. Midas Civil在懸索橋結構驗算中的應用[J]. 公路，2022， 67（3）：187-192.

[5]汪鴻鑫，葉愛君. 柔性中央扣對大跨度懸索橋地震反應的影響[J]. 土木工程與管理學報，2019，36（6）：161-165.

收稿日期：2022-05-24

課題名稱：中建股份科技研發課題（CSCEC-2021-Z-30）

通訊作者：楊毅輝（1979 - ）， 男， 高級工程師， 從事城市橋梁施工技術工作。