东营市北外环桥少背索斜拉桥总体静力计算分析

马蕊

东营市北外环桥少背索斜拉桥总体静力计算分析

马蕊

（1.同济大学，上海200086；2.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，武汉430010）

摘要本文以东营市北外环桥为例，详细介绍少背索斜拉桥受力特点，并通过有限元静力模型计算，分别对桥梁的挠度、应力、索力和稳定性进行数值分析，得到少背索斜拉桥总体静力计算结果。

关键词少背索斜拉桥自平衡受力

1　引言

少背索斜拉桥介于常规斜拉桥和无背索斜拉桥之间，是一种主跨通过斜拉索传递到主塔上的作用力与边跨拉索和倾斜的主塔自重相平衡，主塔塔脚弯矩基本为零的自平衡体系。桥梁施工过程的精确模拟计算对桥梁安全施工起着关键性作用。模拟计算是通过选取合理模型，采取有效的斜拉桥结构施工阶段分析方法，对桥梁的施工过程和成桥状态进行一定精确度的模拟分析，进而控制斜拉索初始张拉力，使得斜拉桥的线型和受力满足要求，确保了该桥在成桥后线型美观，受力性能满足要求。

2　工程概况

北外环桥主墩中心桩号为K0+743.286，主桥主跨采用钢箱梁，梁高3m，边跨采用预应力混凝土梁，平直段梁高3m，渐变段梁高从3m渐变至3.5m，全长185m，跨径布置为45m+140m。混凝土边跨共计10种横梁，端横梁宽5.75，高5.5m，中横梁宽5.1m，余每隔4m设置一道横梁，横梁宽0.3m或0.35m。桥梁立面图见图1。

主桥采用双主梁结构，主跨钢箱梁采用Q345qD级钢，主桥边跨为预应力混凝土箱梁，采用C55混凝土，纵、横向预应力采用高强度低松弛钢绞线，端横梁和钢混结合段部分采用JL32精轧螺纹粗钢筋。钢主塔采用Q345qD和Q370qD级钢，部分下塔柱灌注C40微膨胀混凝土，塔脚采用C55混凝土，塔脚内设置12Φs15.2预应力索。主跨拉索采用PESFD7-121型彩色护套拉索，边跨拉索采用PESFD7-211型彩色护套拉索，四根并一根。

横断面布置：34m=2.25m（拉索区）+2.75m（人行道道）+11.5m（车行道）+1m（中央隔离墩）+11.5m（车行道）+2.75m（人行道道）+2.25m（拉索区）。桥梁横断面图见图2。

图1　桥梁立面布置图 （单位：m）

图2　桥梁断面布置图 （单位：m）

3　技术标准和荷载组合

3.1技术标准

（1）结构恒载

一期荷载包括主跨钢箱梁按实际重量加载，边跨预应力混凝土结构按实际重量加载，横梁按集中荷载的形式加载。

二期荷载：计算按车行道铺装8cm环氧沥青，人行道3cm彩色沥青。

防撞护栏（每道）4KN/m，人行道栏杆（每道）2.3kN/m。

（2）车道荷载

按双向六车道取最不利组合，考虑多车道横向折减以及汽车冲击力制动力。

城-A级车道荷载：均布荷载qk=10.5kN/m，集中荷载Pk=360kN。

（3）人群荷载

人群荷载按《城市桥梁设计规范》（CJJ11-2011）取用。

（4）温度荷载

整体温差：整体升温30℃，整体降温36℃。

梯度温度：主跨钢结构按英国《BS5400规范》取值，边跨预应力混凝土结构按《公路桥涵设计通用规范》取值。

斜拉索与主梁、主塔的温差按《公路斜拉桥设计细则》取值。

（5）基础变位

不均匀沉降2cm。

（6）风荷载

按《公路桥梁抗风设计规范》JTG/TD60-01-2004取值。

（7）混凝土收缩、徐变

按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTGD62-2004取值。

（8）抗震设防标准：地震动峰值加速度为0.1g，抗震设防烈度为7度。

（9）通航要求：规划5.5x80m，河道通航水位4.0m。

（10）设计基准期：100年。

（11）设计安全等级：一级。

（12）环境类别：场地类别为Ⅲ类，环境作用等级为C级。

3.2荷载组合

（1）主跨钢结构

组合一（主力）：恒载（包含沉降）+活载（车道、人群）提高系数1.0；

组合二：主力+制动力 提高系数1.25；

组合三：主力+风力 提高系数1.2；

组合四：主力+温度力+风荷载（或者制动力）提高系数1.45。

（2）边跨混凝土结构

组合五：标准值组合；

组合六：作用短期效应组合；

组合七：作用长期效应组合；

组合四：承载能力极限状态设计基本组合。

4　计算模型

计算程序采用MIDAS/Civil软件，计算模型主要采用梁单元和桁架单元，计算模型见图3。

图3　　计算模型

主梁和塔采用三维梁单元模拟，斜拉索采用桁架单元模拟。

5　计算结果

5.1结构挠度

活载作用下，主梁结构最大竖向位移为159mm＜140000/400=350mm，主塔结构最大竖向位移为53mm＜140000/400=350mm，满足《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》第1.1.5条设计要求。

5.2支座反力

由表1可知，主力组合和标准值组合下，边跨桥台处支座未出现负反力。

5.3结构应力

（1）主跨主梁钢结构应力

由表2可知，各组合主梁钢结构应力计算结果满足规范要求。

表2　主梁钢结构应力表

（2）边跨主梁预应力混凝土结构应力

由表3可知，各组合主梁混凝土结构应力计算结果满足规范要求。

表3　主梁混凝土结构应力表

（3）主塔钢结构应力

由表4可知，各组合主塔钢结构应力计算结果满足规范要求。

表4　主塔钢结构应力表

（4）拉索索力（见表5）

表5　拉索索力表

5.4整体稳定性计算

为确保桥梁在施工阶段以及运营状态下的结构稳定性，通过建立空间有限元模型，采用特征值屈曲理论对结构进行了稳定性分析。其特征值屈曲荷载因子及其失稳模态如下：

（1）成桥后稳定性分析中，弹性屈曲稳定分析结果见表6。

表6　弹性屈曲稳定分析结果

（2）施工阶段裸塔稳定性分析中，弹性屈曲稳定分析结果见表7。

表7　弹性屈曲稳定分析结果

从以上计算结果可以看出，结构在恒载、恒载+跨中活载满布稳定安全系数分别为32.4和29.2；施工阶段裸塔工况稳定系数为227.7，均大于4，表明结构具有足够的稳定安全性。

6　结语

（1）少背索斜塔斜拉桥设计与施工中，严格控制斜塔的位移和内力及拉索索力的调整是全桥的关键。

（2）少背索斜塔斜拉与一般斜拉桥相比，活载下变形较大，尤其是当活载在总荷载比例较大时应予以妥善处理。

参考文献

［1］JTG/TD65-01-2007，公路斜拉桥设计细则.北京：人民交通出版社，2007.

［2］GB50017-2003，钢结构设计规范.北京：中国计划出版社，2003.

［3］严国敏．现代斜拉桥，范立础．桥梁工程（上册），吴冲．现代钢桥（上册）［M］．北京：人民交通出版社，2006.