雙邊箱主梁斜拉橋受力特性分析

作者簡介：

張劍鋒（1993—），助理工程師，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析工作。

摘要：為探究雙邊箱主梁斜拉橋受力特性，文章以南水北調(diào)橋?yàn)檠芯勘尘埃捎肕idas Civil有限元軟件，對(duì)雙邊箱主梁斜拉橋的結(jié)構(gòu)剛度、支反力、主梁應(yīng)力、斜拉索內(nèi)力及應(yīng)力、主塔應(yīng)力等進(jìn)行了計(jì)算分析，并對(duì)各計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)算。結(jié)果表明：主梁在汽車活載作用下的正負(fù)撓度最大絕對(duì)值之和滿足規(guī)范要求；主塔下橫梁頂、過渡墩支座反力在標(biāo)準(zhǔn)組合下均無負(fù)拉力出現(xiàn)；成橋狀態(tài)下、標(biāo)準(zhǔn)組合作用下以及準(zhǔn)永久組合作用下雙邊箱混凝土主梁應(yīng)力和主塔應(yīng)力均滿足規(guī)范要求；基本組合作用下斜拉索的強(qiáng)度值均滿足規(guī)范要求。

關(guān)鍵詞：雙邊箱；斜拉橋；Midas有限元

中圖分類號(hào)：U448.27 A 49 156 3

0 引言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)交通事業(yè)提出了快速高質(zhì)的發(fā)展要求，公路的快速建設(shè)使得跨江、跨河、跨峽谷大橋應(yīng)運(yùn)而生。隨著橋梁結(jié)構(gòu)的發(fā)展，逐漸出現(xiàn)了各種形式的主梁，其中雙邊箱主梁的出現(xiàn)使結(jié)構(gòu)更加輕盈，特別是雙邊箱主梁斜拉橋，引起了眾多學(xué)者的關(guān)注，對(duì)于雙邊箱主梁斜拉橋的受力性能研究逐漸成為熱點(diǎn)。何錦權(quán)［1］以實(shí)際工程為背景，對(duì)獨(dú)塔雙邊箱梁斜拉橋進(jìn)行了靜、動(dòng)力特性分析，并對(duì)結(jié)構(gòu)地震位移響應(yīng)進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明主梁和主塔滿足安全性能要求；楊文等［2］以海安南屏大橋?yàn)檠芯勘尘埃_展了獨(dú)塔雙索面混凝土雙邊箱主梁斜拉橋的靜力分析和穩(wěn)定性分析；廖原等［3］采用MIDASFEA有限元軟件分析了預(yù)應(yīng)力混凝土雙邊箱主梁的受力特性，得出結(jié)構(gòu)空間應(yīng)力分布規(guī)律，并對(duì)設(shè)計(jì)提出建議；王曉平等［4］采用ANSYS有限元法，對(duì)雙邊箱主梁斜拉橋的剪力滯效應(yīng)進(jìn)行了分析，得到剪力滯分布規(guī)律，可指導(dǎo)安丘汶河大橋的設(shè)計(jì)和施工；謝朋林等［5］采用有限元法分析了大跨度斜拉橋雙邊箱主梁施工階段最大懸臂狀態(tài)下主要荷載對(duì)其剪力滯效應(yīng)的影響；趙現(xiàn)省等［6-7］分析了雙邊箱主梁斜拉橋最大懸臂施工階段和成橋階段的主梁剪力滯效應(yīng)，研究成果可改善橋面受力，為橋梁設(shè)計(jì)提供參考；周愛國等［8］采用有限元法研究了超寬雙邊箱主梁斜拉橋的初張索力變化，研究成果可為同類型橋梁的初張索力計(jì)算提供有益參考。

綜上所述，針對(duì)雙邊箱主梁斜拉橋受力特性的研究多集中于獨(dú)塔雙邊箱主梁剪力滯效應(yīng)分析以及簡單的動(dòng)靜力分析，對(duì)于雙塔雙索面斜拉橋結(jié)構(gòu)的受力特性研究較少，因此，本文以南水北調(diào)橋?yàn)檠芯繉?duì)象，采用Midas Civil有限元軟件開展雙塔雙邊箱主梁斜拉橋的受力特性分析，研究結(jié)果為南水北調(diào)橋設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 工程概況

南水北調(diào)橋采用（115+252+115）m預(yù)應(yīng)力混凝土雙塔斜拉橋，兩岸引橋采用多跨40 m、50 m先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)預(yù)應(yīng)力裝配式T梁。橋梁長度為482 m，主塔最大高度為100 m，上、中、下塔柱分別為43 m、41 m、16 m。主梁標(biāo)準(zhǔn)梁段采用雙邊箱主梁斷面，主梁頂寬38.1 m，每側(cè)邊箱底板及斜腹板寬10.8 m，兩邊箱距離為16.5 m。主塔采用雙柱式薄壁箱形寶瓶主塔，啞鈴型承臺(tái)群樁基礎(chǔ)；過渡墩采用空心薄壁墩，承臺(tái)群樁基礎(chǔ)。橋型布置圖見圖1，主梁橫斷面圖見圖2。

2 有限元模型

2.1 建模條件

采用Midas Civil有限元軟件建模，全橋離散為平面桿系單元，共包括1 233個(gè)節(jié)點(diǎn)和954個(gè)單元。其中，主梁、橋塔和樁基礎(chǔ)采用梁單元，共810個(gè)，斜拉索采用桁架單元，共144個(gè)。計(jì)算模型如圖3所示。在樁基底部采用完全固結(jié)，樁基側(cè)向設(shè)置橫向剛度支撐；主塔及過渡墩支座位置約束豎向及橫橋向位移。

2.2 材料參數(shù)

南水北調(diào)橋主塔采用C50混凝土，主梁采用C55混凝土，斜拉索采用平行鋼絞線。主要材料參數(shù)見表1。

2.3 模型荷載參數(shù)

模型中施加的荷載主要是一期恒載、二期恒載、活載和溫度荷載，然后根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）對(duì)荷載進(jìn)行組合。

（1）一期恒載：含混凝土主梁、主塔、斜拉索等重量，混凝土容重：γ=26.25 kN/m3。

（2）二期恒載：包括瀝青混凝土橋面鋪裝、防撞護(hù)欄及檢修道欄桿、瀝青砂等。

（3）活載：根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01-2014）和《公路斜拉橋設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3365-01-2020），車輛荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)，檢修人群活載取1.5 kN/m2。

（4）溫度荷載：模型計(jì)算溫度取15 ℃；整體升溫溫差取+25 ℃，降溫溫差取-25 ℃；溫度梯度升溫模式：T1=14 ℃，T2=5.5 ℃，降溫模式：T1=-7 ℃，T2=-2.75 ℃。

（5）荷載組合：

①正常使用極限狀態(tài)采用頻遇組合、準(zhǔn)永久組合及標(biāo)準(zhǔn)組合。

頻遇組合=永久作用+1.3×0.7×汽車荷載+檢修道人群荷載+0.8×溫度梯度荷載+均勻溫度荷載。

準(zhǔn)永久組合=永久作用+1.3×0.4×汽車荷載+0.4×檢修道人群荷載+0.8×溫度梯度荷載+均勻溫度荷載。

標(biāo)準(zhǔn)組合=1.0×永久作用+1.3×1.0×汽車荷載+1.0×檢修道人群荷載+1.0×溫度梯度荷載+1.0×均勻溫度荷載。

②承載能力極限狀態(tài)。

基本組合=1.1×{1.2×永久作用+1.3×1.8×汽車荷載+0.75×（1.4×檢修道人群荷載+1.4×溫度梯度荷載+1.4×均勻溫度荷載）}。

3 結(jié)構(gòu)總體計(jì)算分析

3.1 結(jié)構(gòu)剛度計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)上述模型計(jì)算條件，對(duì)南水北調(diào)橋的結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果見圖4。

由圖4可以看出，在雙向八車道汽車活載作用下，主梁的正負(fù)撓度最大絕對(duì)值之和為2.4+9.3=11.7 cm＜252/500=50.4 cm，滿足《公路斜拉橋設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGT 3365-01-2020）7.2.5條規(guī)定。

3.2 支反力計(jì)算結(jié)果分析

通過計(jì)算分析，統(tǒng)計(jì)了在標(biāo)準(zhǔn)組合作用下主塔下橫梁頂、過渡墩支座反力，見表2。

由表2可知，在標(biāo)準(zhǔn)組合作用下主塔下橫梁頂、過渡墩支座反力均為正拉力值，無拉力負(fù)值出現(xiàn)。

3.3 主梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析

通過對(duì)成橋階段恒載作用下混凝土主梁應(yīng)力、標(biāo)準(zhǔn)組合作用下主梁應(yīng)力以及準(zhǔn)永久組合作用下主梁應(yīng)力的計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)：在成橋階段恒載作用下和標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，主梁上緣產(chǎn)生最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力，主梁下緣只產(chǎn)生最大壓應(yīng)力，無拉應(yīng)力產(chǎn)生；在準(zhǔn)永久組合作用下，主梁上緣和下緣均產(chǎn)生最大壓應(yīng)力，均無拉應(yīng)力出現(xiàn)。混凝土主梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總見表3。

由表3可知，成橋階段恒載作用下混凝土主梁應(yīng)力、標(biāo)準(zhǔn)組合作用下主梁應(yīng)力以及準(zhǔn)永久組合作用下主梁應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

3.4 斜拉索內(nèi)力及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)基本組合作用下的斜拉索軸力和應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)斜拉索最大軸力為8 928.3 kN，最小軸力為2 752.9 kN。根據(jù)《公路斜拉橋設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGT 3365-01-2020）7.2.4條規(guī)定，斜拉索的強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)該滿足式（1）要求：

γ0NdA≤φdfd（1）

式中：γ0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；

Nd——斜拉索的軸向拉力設(shè)計(jì)值（N）；

A——斜拉索的截面面積（mm2）；

φ——斜拉橋的結(jié)構(gòu)體系修正系數(shù)，對(duì)于部分斜拉橋，φd=1.5，而其余結(jié)構(gòu)體系的φd=1.0；

fd——斜拉索的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（MPa）。

斜拉索強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果見圖5。

由圖5可知，斜拉索的強(qiáng)度計(jì)算值最大為1 005 MPa，小于抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1 260 MPa。因此，斜拉索的強(qiáng)度計(jì)算值均滿足規(guī)范要求。

3.5 主塔應(yīng)力計(jì)算結(jié)果分析

通過對(duì)主塔應(yīng)力的計(jì)算分析可知，成橋狀態(tài)下、標(biāo)準(zhǔn)組合作用下以及準(zhǔn)永久組合作用下，主塔的最大壓應(yīng)力值分別為12.8 MPa、15.4 MPa和15.4 MPa，這三種條件下，主塔均無拉應(yīng)力出現(xiàn)。

對(duì)成橋狀態(tài)、標(biāo)準(zhǔn)組合及準(zhǔn)永久組合作用下，主塔塔柱及橫梁最大壓應(yīng)力、最大拉應(yīng)力進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表4和表5。

由表4可知，在成橋狀態(tài)、標(biāo)準(zhǔn)組合及準(zhǔn)永久組合作用下，主塔塔柱的最大壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

由表5可知，在成橋狀態(tài)、標(biāo)準(zhǔn)組合及準(zhǔn)永久組合作用下，主塔橫梁的最大壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語

本文對(duì)雙邊箱主梁斜拉橋的受力特性進(jìn)行了研究，主要分析了結(jié)構(gòu)剛度、橋墩支反力、主梁應(yīng)力、斜拉索應(yīng)力和主塔應(yīng)力是否滿足規(guī)范要求，得出以下結(jié)論：

（1）在雙向八車道汽車活載作用下，主梁的正負(fù)撓度最大絕對(duì)值之和滿足規(guī)范要求。

（2）在標(biāo)準(zhǔn)組合下主塔下橫梁頂、過渡墩支座反力無負(fù)拉力。

（3）混凝土主梁應(yīng)力、斜拉索內(nèi)力和應(yīng)力、主塔應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2022-09-16