于海宾
(沈阳市市政工程设计研究院,辽宁 沈阳 110015)
桥梁结构
沈阳市东塔跨浑河桥总体静力计算分析
于海宾
(沈阳市市政工程设计研究院,辽宁 沈阳 110015)
沈阳市东塔跨浑河桥为双塔双索面自锚式悬索桥,主桥跨径布置为40+90+220+90+40=480 m,桥塔为钢桁架桥塔,造型独特优美。现以东塔跨浑河桥为实例,利用Midas/civil计算软件,介绍了自锚式悬索桥的总体计算过程,以及要点分析。
自锚式悬索桥;总体静力计算;钢桁架桥塔
某工程位于沈阳四塔之一的东塔以南2 km处,故取名东塔跨浑河桥。它处于浑河南岸通往市区的王家湾桥与长青桥之间。主桥为五跨连续钢桁架桥塔自锚式悬索桥,跨径布置为40+90+220+ 90+40=480(m),主缆垂跨比为1/5.5。主桥在有索区宽度为43.3 m,无索区及引桥均为40 m(见图1、图2)。
图1 东塔跨浑河桥效果图
图2 东塔跨浑河桥立面图
桥梁为半漂浮体系,结构体系约束情况为:索塔两侧牛腿上设置一个单向支座和一个双向支座;在牛腿与主梁之间设置粘滞阻尼器,在主梁与桥塔间设置横向限位支座;锚固跨桥墩分别设置一个单向支座和一个双向支座;两端过渡墩上各设置两个双向支座。
悬索桥静力分析设计的工作主要分为两个步骤:一是设计主缆及加劲梁系统;二是根据已经决定的主缆及加劲梁体系来设计索塔系统。本文计算模型基于有限位移理论,利用Midas/civil计算程序建立三维空间有限元模型进行计算分析。
2.1 主要材料及规格
2.1.1 主缆
采用直径φ5.0,公称抗拉强度1 670 MPa的高强度镀锌钢丝。每根主缆共有19股索股,每根索股由127根φ5.0的高强镀锌钢丝组成(见图3)。
图3 主缆及索股断面图
2.1.2 吊杆
每根吊索由19根φs15.2钢绞线组成,标准抗拉强度1 860 MPa,全桥吊索采用同一种规格。
2.1.3 钢箱梁
钢箱梁采用Q345D钢材,弹性模量为2.06× 105MPa。
2.1.4 桥塔
桥面以下9.5 m处为钢/混凝土分界线,分界线以上为钢结构,采用Q345D钢材,分界线以下塔身与承台均为现浇混凝土结构,塔身混凝土为C50混凝土。
2.2 结构离散
悬索桥主缆及吊索的抗弯刚度较小,其受力主要是受拉,可以采用空间索单元进行模拟;桥塔及加劲梁可以作为空间梁单元模拟,加劲梁的空间杆系模型采用“鱼骨式”形式,通过刚性连接将吊索下锚固点与加劲梁节点进行连接,模型边界条件按照实际设计约束进行模拟。
2.3 主要荷载
2.3.1 永久作用
自重:包括主缆、吊索、索夹、主缆防护、缆索附属、索鞍、散索套、索塔、加劲梁、桥面系的自重。
基础变位:主塔下基础为-20 mm,其余各桥墩基础为-5 mm。
2.3.2 可变作用
温度作用:设计合拢温度为5~15℃,钢加劲梁、主塔钢结构段、主缆、吊杆体系升温采用41℃,体系降温采用-58℃;主塔混凝土段升温采用29℃,体系降温采用-38℃。
风荷载:按横桥向和纵桥向分别考虑,根据《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T D60-01-2004)进行计算。
汽车荷载:汽车荷载为城-A级,8车道。
人群荷载:2.5 kN/m2。
2.4 用Midas/civil建立模型
2.4.1 建立悬索桥初始平衡状态模型
Midas/civil中提供了建模助手功能。该功能可帮助使用者快速建立悬索桥初始平衡状态模型。但是在使用过程中需要注意,为了尽量使悬索桥助手建立的模型贴近实际,可在“桥面系单位重量”中输入预估的吊索力,如图4所示。预估的吊索力可以通过建立全桥梁单元模型,在模型中除了设置正常支座之外,在所有吊索位置均添加一个竖向支撑,每个竖向支撑的反力就是该处横向两根吊索的合力,这样在“悬索桥分析”过程中模型更接近于实际情况,模型分析收敛误差更小。
2.4.2 建立悬索桥成桥状态
在悬索桥建模助手建立的模型基础上,按照工程实际情况建立三维空间有限元模型,并添加二期荷载,删除初始平衡状态模型中的“非线性分析数据”。在“悬索桥分析控制”对话框中添加垂点组与更新节点组,同时定义自重荷载工况,运行分析后得到悬索桥精确平衡状态,成桥状态对应成桥吊索力见表1所列。
图4 桥面系单位重量图示
表1 实际成桥吊索力与初始拟定吊索力对比一览表
由表1可见,由于配跨的存在和主梁刚度、重量分布与建模助手中考虑的不同,同时该桥为自锚式悬索桥,实际成桥吊杆力与建模助手中输入的吊索力是有差异的,是经过了重新分配的,但两者之间差别较小。至此,悬索桥成桥状态模型建立完成,如图5所示。
图5 桥梁空间有限元模型
2.4.3 建立悬索桥总体静力分析模型
在悬索桥成桥模型基础上,施加其他可变作用(汽车、人群、温度、变位、风等),同时组合荷载工况即可进行总体静力计算。
2.5 主要计算结果
2.5.1 主缆强度验算
根据计算结果,主缆拉应力最大的位置为塔顶处8#单元处(边跨侧),其主要荷载效应结果见表2所列。
表2 主缆拉应力验算表
由表2可以看出,按照承载能力极限状态基本组合计算的主缆安全系数γ=1 670/799.1=2.09>1.85,满足规范要求。同时可以看出,在主缆所承受的荷载中,恒载、汽车荷载及人群荷载起到绝大多数作用,其中恒载在所有荷载中所占比重最大,约占所有荷载效应的80%以上,因此在悬索桥设计初期,可以根据相关教材按照桥面恒载手动近似计算得出拟定的主缆规格。
2.5.2 吊索强度验算
吊索与主缆情况相似,其各部分荷载效应产生的结果所占比重与主缆相差较小,吊索拉应力最大的吊索位于主跨跨中处,按照承载能力极限状态基本组合计算吊索的拉应力为678.5 MPa,吊索安全系数γ=1 860/678.5=2.74>2.2,满足规范要求。
2.5.3 加劲梁强度验算
图6至图9为钢加劲梁的主要应力结果。
图6 钢加劲梁上缘最大压应力图(MPa)
图7 钢加劲梁下缘最大压应力图(MPa)
图8 钢加劲梁上缘最大拉应力图(MPa)
图9 钢加劲梁下缘最大拉应力图(MPa)
由于自锚式悬索桥在加劲梁上锚固主缆,加劲梁承受主缆端部的巨大的水平分力,且全桥轴力变化很小,所以自锚式悬索桥的主梁拉应力一般可以控制得比较小。从图8、图9结果也可以看出,加劲梁上下缘最大拉应力均出现在辅助跨侧。从图6、图7可以看出,上缘最大压应力出现在主跨跨中处,下缘最大压应力出现在索塔处,全桥钢加劲梁最大压应力为143.8 MPa,满足规范要求。
2.5.4 主塔强度验算
主塔是悬索桥承重结构的重要构架,是用以支承主缆并将荷载通过基础传递给地基的结构。在成桥状态下,主缆理论上只向主塔传递轴力作用,主塔的弯矩主要来自于可变荷载,主塔压应力结果如图10所示,压应力最大位置位于塔根部内侧,最大压应力为181.6 MPa,满足规范要求。
图10 桥塔最大压应力图(MPa)
城市桥梁在满足交通功能的基础上对于外观的要求越来越高,悬索桥造型独特,线形优美,同时受地质条件限制,自锚式悬索桥越来越多地被应用于城市桥梁的设计当中。本文通过沈阳市东塔跨浑河桥的实际案例,介绍了自锚式悬索桥总体静力计算要点、方法,以及部分受力特点分析,为其他相似规模自锚式悬索桥提供参考。沈阳市市政工程设计研究院在设计完成后也多次召开专家会议,对一些重点问题展开论证,同时向其他有经验的设计单位学习设计资料。目前该桥梁正在安全有序地进行施工,预计于2018年竣工通车。
U441+.5
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1009-7716(2017)04-0056-03
10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.017
2017-01-24
于海宾(1984-),男,辽宁鞍山人,高级工程师,从事桥梁工程设计工作。