波形钢腹板PC部分斜拉桥的力学性能分析

张 坤 郭理学 严 盛

(1.中建交通建设集团有限公司，北京 100142; 2.郑州市交通规划勘察设计研究院，河南 郑州 450052)

波形钢腹板PC部分斜拉桥的力学性能分析

张 坤1郭理学2严 盛1

(1.中建交通建设集团有限公司，北京 100142; 2.郑州市交通规划勘察设计研究院，河南 郑州 450052)

结合朝阳沟水库特大桥的工程结构参数，建立了该桥的三维有限元模型，并从结构整体、横向框架、结构局部等方面，分析了波形钢腹板PC部分斜拉桥结构的力学性能，结果表明其各项设计指标均符合要求。

斜拉桥，波形钢腹板，力学性能，有限元模型

1 工程概况

波形钢腹板PC箱梁桥作为一种新型桥梁，其跨度也随着设计理论的细化、分析方法的完善、施工方法的进步而不断的发展。朝阳沟水库特大桥是目前世界上已建项目中跨度最大的波形钢腹板PC箱梁矮塔斜拉桥，其跨径布置为(58+118+188+108)m。本文以该桥为研究对象，对波形钢腹板PC部分斜拉桥的力学性能进行分析。

2 工程结构参数

桥梁跨径组成为58+118+188+108=472 m，桥梁全长484.8 m。其总体布置如图1所示。

箱梁断面采用单箱四室斜腹板断面，顶板宽度为35.0 m，箱梁根部梁高7.0 m，支架现浇段、跨中及边跨合龙段梁高为4.5 m。桥塔布置在行车道与人行道之间，按双塔柱设计，采用组合式钢筋混凝土结构，主塔桥面以上高33 m，竖向塔柱采用纵向变化的矩形断面，宽度从主塔根部的6.4 m按直线变化至墩顶的3.5 m，横向宽1.5 m；外侧辅塔采用双肢矩形截面，截面尺寸为1.6 m×1.0 m，辅塔与竖向塔柱在塔顶合并。，主墩(下塔柱)均为变宽度矩形双肢实心薄壁墩，横桥向左右两侧各设置一对，纵向双肢中心间距4.8 m，壁厚1.6 m，桥墩横向宽从墩底9.4 m变化至墩顶的11.25 m；墩高分别为26.5 m和30 m。墩为矩形实心薄壁墩，墩高为18 m；横桥向左右各设一肢，桥墩横向宽从墩底8.7 m变化至墩顶的9.78 m；纵向壁厚2.5 m。斜拉索为双索面单排索，共52对。梁上索距4.8 m，塔上索距1.0 m。波形钢腹板波形采用1600型，与混凝土顶板用栓钉连接，其中翼缘钢板厚22 mm，宽500 mm，翼缘板栓钉横向布置6排φ19 mm栓钉，栓钉长度25 cm。波形钢板与混凝土底板的连接采用埋入式连接，孔间距150 mm，埋入深度300 mm，结合钢筋，贯穿钢筋；开孔下部焊接少量栓钉，作为辅助连接措施。波形钢腹板节段间纵向连接采用了搭接连接贴角焊接连接的方式，使用螺栓临时固定。波形钢板与混凝土横隔板连接部采用双栓钉连接，栓钉直径19 mm、长度15 cm，平面布置3排。为增加波形钢腹板PC箱梁的抗扭刚度，全桥设置一定数量混凝土横隔板。于波形钢腹板采用体外索，将转向块与混凝土横隔板做成一体。在斜拉索位置采用桁架式钢横隔板，全桥共计59道，全桥设置16道混凝土横隔板(不计端横隔及墩部横梁)，其中边跨各2道，主跨设置4道横隔，横隔板厚0.5 m。

3 结构有限元模型建立

以空间梁单元、空间桁架单元进行建模，模型考虑R=3 900 m的圆曲线影响，但不计纵坡影响。

分析计入的主要作用有：结构自重、二期荷载、混凝土收缩徐变、温度效应、汽车活载、拉索索力、支座沉降等。

3.1 参数选取

计算模型中混凝土和钢材等材料参数按照JTG D62公路钢筋混凝土及预应力混凝土设计规范及设计图纸选取。

混凝土：主梁顶、底板混凝土均采用C55；主塔采用C50。

预应力钢筋：力学性能指标应符合GB/T 5224预应力混凝土用钢绞线的规定。

钢材：采用Q345D钢材。

3.2 计算荷载

1950年初，云南和平解放后，中央把讲武堂第17期学员周保中将军从东北调到云南。周保中是大理白族，回到云南后，除了担任过云南省政府党组书记、副主席等职务外，还参与创立了云南民族学院（今云南民族大学），并担任院长，担任副院长的张冲将军（彝族），也是云南陆军讲武堂毕业的学员。经过历史的磨练，讲武堂的爱国主义精神，在新的时代得到了传承。

1)结构自重：混凝土容重为26 kN/m3，钢材为78.5 kN/m3。2)混凝土收缩徐变效应：收缩徐变考虑10年累计效应。3)二期恒载：考虑沥青混凝土铺装层、防水混凝土层以及两侧混凝土护栏，共计212 kN/m。4)预应力作用：考虑预应力损失及其对超静定结构次效应，孔道壁摩擦系数取0.17，管道偏差系数取0.001 5，一端锚具变形及钢束回缩量0.006 m。5)斜拉索索力：按照设计图纸要求张拉斜拉索。

3.3 结构模型建立

杆系模型采用Midas Civil进行建模，主梁采用梁单元进行模拟，波形钢腹板等效为混凝土腹板，桥梁按曲线桥模拟，曲线半径3 900 m，有限元模型如图2所示。

4 结构力学性能分析

4.1 结构纵向分析

1)短期组合。短期组合顶缘应力(见图3)：端横梁处应力奇异，其他各部无拉应力。短期组合底缘应力(见图4)：各部无拉应力。因此，主梁正截面抗裂满足要求。

2)标准组合。标准组合顶缘应力(见图5)，最大压应力为16.0 MPa。标准组合底缘应力(见图6)，最大压应力15.3 MPa。因此，主梁正截面压应力满足要求。

3)承载力包络(见图7)。未计入普通钢筋贡献，主梁各部结构抗力均大于设计承载力。

4)结构位移。活载单项主梁竖向位移(如图8所示)最大51 mm，为主跨的1/3 615。活载单项塔顶水平位移(如图9所示)最大15 mm，为塔高的1/2 200。因此，塔、梁刚度能满足要求。

5)拉索应力(见图10)。标准组合下斜拉索索力4 081 kN～5 210 kN，安全系数为2.1～2.3。活载作用下拉索应力幅18.9 MPa～25.5 MPa，斜拉索不存在疲劳问题。

4.2 横向框架分析

横向分析采用Midas Civil横向分析模块，计算梁段选取主梁跨中1 m长度的梁段，采用框架结构进行分析。结构如图11所示。

桥面板配置BM15-3钢束，间距50 cm，箱梁横截面最大弯矩及抗力见表1。

表1 桥面板承载力验算表

横向框架分析角隅弯矩计算结果见表2。

表2 箱梁角隅抗力验算

4.3 局部分析

1)索梁锚固区。索梁锚固区混凝土主压应力最大为16.1 MPa，满足要求。索梁锚固区模型见图12，索梁锚固区混凝土主压应力云图见图13。

2)索塔锚固区。要考察塔柱最下面的索孔应力，考虑到结构的对称性，建立塔柱底端三个节段的1/4塔柱模型(见图14)。索孔处最大主拉应力为3.2 MPa，加强普通钢筋配置。索孔主拉应力云图见图15。

3)箱梁0号块。用Midas FEA建立0号块1/2模型(见图16)，分析0号块在拉索、桥纵向轴力、剪力和弯矩作用下的受力状态。分析结果显示，应力指标均满足规范要求。箱梁0号块应力云图见图17。

5 结论与展望

本文介绍了国内外目前已建的波形钢腹板PC箱梁斜拉桥，以朝阳沟水库特大桥为分析对象，建立了三维有限元模型，对波形钢腹板PC箱梁矮塔斜拉桥进行了结构整体分析、横向框架分析和结构重点部位的局部分析，结果表明各项设计指标均符合要求。

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[4] 林道锦,李忠三,王仁贵.多塔斜拉桥力学性能研究[J].公路,2013(7):317-320.

Analysis on the mechanical performance of the cable-stayed bridge with corrugated steel web

Zhang Kun1Guo Lixue2Yan Sheng1

(1.ChinaConstructionTrafficConstructionGroupCo.,Ltd,Beijing100142,China:2.ZhengzhouTrafficPlanningSurveyDesignAcademy,Zhengzhou450052,China)

Combining with Chaoyang ditch reservoir extra-large bridge engineering structure parameters, the paper establishes three-dimensional finite element model. Starting from aspects of structural integrity, horizontal framework and local structure, it analyzes the mechanical performance of cable-stayed bridge with corrugated steel web. Results show that: its design indicators meet demands.

cable-stayed bridge, corrugated steel web, mechanical performance, finite element model

1009-6825(2017)01-0174-03

2016-10-27

张 坤(1987- )，女，工程师； 郭理学(1980- )，男，高级工程师； 严 盛(1977- )，男，工程师

U441

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