过桥管道的斜拉桥全桥受力性能数值模拟分析

范自盛，潘 瑜

(福建船政交通职业学院 安全与环境学院，福建 福州 350007)

0 引言

随着我国基础设施迅速发展，综合管廊、管线项目建设规模也迅速扩大，敷设越来越多样化。当管线敷设受到江河湖海等水域地理条件限制时，从节约成本、施工难易度及运营安全角度综合考虑，管线过桥不失为一种重要的选择方式，既能节约成本降低造价，又方便管线检修维护，降低管线腐蚀的影响，越来越受到建设单位的认可。

管线过桥也会带来一系列安全性问题，如对桥梁结构承载力的影响、桥梁与管道维保的问题、管道爆管危害等方面[1]。而管线建成后其自重及其变动荷载是否会对桥梁全桥受力性能造成影响，是管线过桥首要考虑的安全问题。其中《城市桥梁设计规范》(CJJ 11-2011)及2019年3月24日修订《城市道路管理条例》对桥上或地下通道管线敷设进行了规范，要求确保桥梁或地下通道结构的运营安全[2]。但是如何确保桥梁及桥梁结构的运营安全，“规范”中尚未提出具体的评价指标和计算方法。

目前，关于管线过桥的受力分析大都基于单一因素的分析计算或面上的简单分析判断。张志东等建立一种斜拉索跨越管桥安全状况评定方法[3]。孙建渊等基于水锤效应，建立输水管道水锤计算模型和斜拉桥动力计算模型，得到水锤冲击作用下斜拉桥主要构件的动力响应[4]。庄小将等通过进行水荷载引起的挠度及应力、过桥水管动载作用分析等对管道过桥的桥梁结构进行静、动力影响分析[5]。

本文将以工程为实证，基于有限元建立过桥管道的斜拉桥数字计算模型，分析管线过桥荷载及荷载组合变化，模拟分析挂管荷载对全桥受力性能的影响。探索建立过桥管道的斜拉桥全桥受力性能数值模拟的通用模型，为其他管道过桥项目方案制定提供借鉴。

1 模型的建立

1.1 工程简介

本陆岛连接桥主桥为双索面斜拉桥，采用主跨为66 m的四跨连续梁独塔，主桥跨径为204 m。两侧引桥分别采用330 m和150 m预应力连续箱梁结构，全桥长685.44 m。

索塔采用“城市之光”设计方案，为混凝土塔外包钢外壳，上部采用双主梁肋板式结构，基础采用钻孔灌注桩。斜拉索为空间对称双索面，采用平行钢丝索，冷铸墩头锚具，塔上采用钢绞线环向预应力锚固。

挂管工程采用双管挂桥敷设，污水管管径DN400 mm，管材采用不锈钢管，管道跨越桥梁布置如图1所示、管道布置如图2和图3所示。

图1 双鱼岛陆岛桥挂管平面布置图

图2 桩号K0+335.96～K0+950段挂管位置图(单位：cm)

图3 桩号K0+325.360～K0+335.96及K0+950～K1+010.64段挂管位置图(单位：cm)

1.2 有限元模型建立

采用MIDAS/Civil软件，建立空间杆系单元模型计算。主梁结构为π形梁，采用双主梁模型进行模拟，主梁横梁及横隔梁作为双主梁的横向连接构件，主梁、横梁及横隔梁按规范考虑翼缘的有效宽度后均采用梁单元。主塔采用梁单元，斜拉索采用桁架单元建立。斜交梁桥试验模型几何尺寸及材料参数见表1，主要材料力学指标见表2。

表1 斜交梁桥试验模型几何尺寸及材料参数

表2 斜交桥模型主要材料力学指标

建立主桥有限元模型见图4所示。

图4 整体有限元模型图

建立主桥有限元模型后，需要根据挂管工程的施工阶段和运营阶段的荷载变化，进行荷载组合，分析结构在不同阶段的应力、内力和位移，分析比对规范规定的各项容许指标，验算挂管工程对斜拉桥的全桥受力性能造成的影响，分析结构受力是否满足安全要求。

1.3 荷载与荷载组合分析及设定

(1) 永久荷载

在充分考虑桥梁已有的永久荷载，包括桥梁主体结构自重，桥面铺装、人行道、护栏等恒载。充分考虑过桥管线带来的永久荷载，从安全的角度考虑管线永久荷载，统计计算两根污水管满水的总荷载作为管线永久荷载。由于管道及其支架导致桥梁迎风面变大的问题，充分考虑风荷载引起挂管振动对桥梁产生的影响，挂管荷载按1.3的放大系数设定，并把荷载平均分配在翼缘的两点上。

(2) 可变荷载

在考虑桥梁已有的可变荷载，包括汽车荷载、有轨电车荷载、人群荷载、自行车、设计风速、温度荷载等荷载的基础上，考虑在挂管施工及桥梁检修时在桥梁外侧车道可能会应用桥检车，考虑16 m桥检车荷载。

(3) 荷载组合

为系统的分析各种荷载组合的效应，依照《公路桥涵设计通用规范》JTG D60-2015等规范的要求，本模型进行了承载能力极限状态基本组合、正常使用极限状态频遇组合、正常使用极限状态准永久组合、弹性阶段组合的分析，其中作用效应分项系数以及荷载组合系数均按规范要求取值[6]。具体组合如下：

① 承载能力极限状态基本组合

② 正常使用极限状态频遇组合

③ 正常使用极限状态准永久组合

④ 弹性阶段组合

2 挂管荷载对全桥受力性能的影响分析

污水挂管布置在主梁单侧，共两根，本分析考虑两根污水管同时满水的最不利情况进行分析。

2.1 对主梁受力性能的影响

根据模型计算，最不利挂管荷载作用下，主梁的位移如图5所示。可以看出挂管荷载对主梁位移的影响较小，最大竖向位移量为0.75 mm，最大横向位移量为0.17 mm。

图5 最不利挂管荷载作用下主梁位移图

最不利挂管荷载作用下，主梁的内力图如图6所示。下部受拉为正(上部受压)，上部受拉为负(下部受压)，可得到支点最大负弯矩为-3009.1 kN·m，跨中最大正弯矩为1322.4 kN·m，最大剪力为253.9 kN(标准值)。

图6 最不利挂管荷载作用下主梁内力图

最不利挂管荷载作用下，主梁上下缘的应力如图7所示。可得到上缘最大拉应力为0.11 MPa，出现在主塔支点处；下缘最大压应力为 -0.25 MPa，也出现在主塔支点处。

图7 最不利挂管荷载作用下主梁应力图

2.2 对主塔受力性能的影响

最不利挂管荷载作用下，主塔的位移如图8所示。可以看出挂管荷载对主塔位移的影响较小，最大竖向位移产生在下塔柱底，位移量为0.135 mm；最大横向位移产生在上塔柱中间，位移量为0.266 mm。

图8 最不利挂管荷载作用下主塔位移图

最不利挂管荷载作用下，主他的内力图如图9所示。可得到主塔最大弯矩产生在靠近挂管测的塔柱底部，弯矩为3194 kN·m；最大剪力产生在靠近挂管测下塔柱横梁，剪力为467 kN；最大轴力产生在靠近挂管测下塔柱底部的压力，轴力为-653 kN。

图9 最不利挂管荷载作用下主塔内力图

最不利挂管荷载作用下，主塔两侧的应力如图10所示。可得到主塔靠陆侧最大压应力产生在靠近挂管测的塔柱底部，应力大小为-0.21 MPa；靠岛侧最大拉应力产生在靠近挂管测的下塔柱横梁，应力大小为0.13 MPa。

图10 最不利挂管荷载作用下主塔应力图

3 结论

(1) 通过建立过桥管道的斜拉桥全桥受力性能有限元计算模型分析计算，分别得出了挂管荷载对主梁和主塔的受力性能影响，通过比对该桥梁原有的设计和规范的要求，挂管荷载对主梁和主塔的受力性能(位移、内力、应力)均满足《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2015)等规范要求，影响较小。

(2) 通过计算分析，不仅明确了过桥管道对主梁和主塔的影响，还明确了最不利挂管荷载作用下，最不利的作用点。如主梁上缘最大拉应力为0.11 MPa，出现在主塔支点处；下缘最大压应力为-0.25 MPa，也出现在主塔支点处。主塔最大竖向位移产生在下塔柱底，位移量为0.135 mm；最大横向位移产生在上塔柱中间，位移量为0.266 mm。主塔最大弯矩产生在靠近挂管测的塔柱底部，弯矩为3194 kN·m；最大剪力产生在靠近挂管测下塔柱横梁，剪力为467 kN；最大轴力产生在靠近挂管测下塔柱底部的压力，轴力为-653 kN。主塔靠陆侧最大应力产生在靠近挂管测的塔柱底部，压应力大小为-0.21 MPa；靠岛侧最大应力产生在靠近挂管测的下塔柱横梁，拉应力大小为0.13 MPa。

(3) 本文从斜拉桥全桥受力性能的角度进行了模拟计算，为进一步系统分析过桥管道对桥梁结构安全的影响，还需要研究过桥管道对桥梁主梁、主塔、斜拉索等局部荷载的影响，并进行受力验算。