大跨度公轨两用悬索桥力学计算与分析

杨毅辉　耿文宾　陶宪坤　刘娜

【摘    要】：针对大跨度钢桁梁悬索桥成桥应力复杂的问题，采用 Midas Civil有限元分析软件，以某在建公铁两用悬索桥为例，通过对大跨度公铁两用悬索桥关键构件的应力和变形进行力学分析，提出大跨度公铁两用悬索桥成桥状态和运营阶段关键部位力学特点，判定结构的安全状态。

【关键词】：公铁两用；悬索桥；大跨度；受力分析

【中图分类号】：U448.25【文献标志码】：C【文章编号】：1008-3197（2023）01-31-03

【DOI编码】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.01.009

Design and Static Analysis of Long-span Highway-railway Suspension Bridge

YANG Yihui1， GENG WenBin1， TAO Xiankun1， LIU Na1

（1. China Construction Sixth Engnineering Division Co. Ltd.， Tianjin 300451， China； 2. Beijing Xinhangcheng Development and

Construction Co. Ltd.， Beijing 102611， China； 3. Beijing Dongtai Xiangbo Engineering Technology Co. Ltd.， Beijing 102606， China）

【Abstract】：Aiming at the complex stress issue of long-span steel truss suspension completed bridge， the paper adopts the Midas Civil finite element analysis platform and takes a highway-railway suspension bridge under construction as an example， Through the force analysis of the stress and deformation of key components， the paper proposes the mechanical characteristics of the key parts of the long-span highway-railway suspension bridge at the completion state and operation stage to determinethe structural safety state.

【Key words】：service for highway-railway； suspension bridge； long-span； force analysis

随着经济的发展和建造技术的进步，桥梁建设技术水平大幅提升，桥梁的跨度越来越大。相比于斜拉桥，悬索桥的跨越能力更强，单跨最大跨径已突破2 000 m[1]。近年来，公轨（铁）两用悬索桥受到了设计师和学者的广泛青睐，与公路悬索桥相比，公轨（铁）两用悬索桥的起步要稍晚。公轨（铁）两用悬索桥属于空间复杂、柔性大、超静定结构，设计与施工难题多，目前还没有统一的规范[2～4]，精确地对悬索桥结构进行力学分析并研究关键部位的力学特性具有十分重要的意义。本文以实际工程为例，建立空间有限元模型，分析大跨度悬索桥成桥状态和运营阶段关键部位力学特点。

1 工程概况

某公轨两用跨长江大桥主桥为仅主跨悬吊的双塔三跨连续钢桁梁悬索桥，钢桁梁跨径布置为75 m+720 m+75 m，上层是双向8车道公路交通，下层是双向2车道轨道交通。南北岸引桥均采用预应力混凝土连续箱梁，其中北引桥跨径布置为4×43 m，南引桥跨径布置为3×43 m+4×43 m。见图1。

主桥钢桁梁采用三跨连续体系，在桥塔及端部设置竖向支撑，纵向不约束；桥塔处设置横向抗风支座及液压黏滞阻尼器；在主跨跨中与主缆间设置柔性中央扣以提高结构纵向刚度，减小列车高速制动下的主梁纵向位移。

大桥主缆采用工艺成熟的平行钢丝预制束股法（PPWS）制作和架设，其中主缆采用公称直径为5.25 mm、公称抗拉强度为1 770 MPa的镀锌高强度钢丝，其技术指标应符合设计及GB/T 17101—2008《桥梁缆索用热镀锌钢丝》的规定。

普通吊索和中央扣斜吊索采用公称直径为7.0 mm、公称抗拉强度为1 770 MPa的镀锌高强度钢丝，其技术指标应符合设计及GB/T 17101—2008的规定。

主桁构件、桥面系构件材质主要为Q345qD、Q420qE两种，板厚＜50 mm时采用Q345qD，板厚≥50 mm时采用Q420qE，应符合GB 714—2015《桥梁用结构钢》的要求。高强度螺栓为10.9s级，螺栓、螺母、垫圈等均应符合GB /T 1231—2006《钢结构用高强度大六角头螺栓、大六角螺母、垫圈与技术条件》的要求。钢板厚度应符合GB/T 709—2006《热轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及允许偏差》B类钢板要求并对厚板按≮10%的比例进行超声波探伤。

钢材的屈服强度σs根据GB 714—2015确定，设计安全系数K=1.7，容许应力按照不同板厚取［σ」=σs/K。

2 技术标准

2.1 整体标准

桥梁主体结构设计使用年限100  a，其他损坏、修复不影响轨道交通正常运营的结构设计使用年限为50  a。钢结构防腐体系使用年限为20 a，支座主要构件使用年限为50 a，伸缩缝主要构件使用年限为40 a，易损构件及其他附属結构使用年限为15 a。

地震基本烈度6度；地震动峰值加速度：E1地震作用下，地震动水平峰值加速度为0.088g；E2地震作用下，地震动水平峰值加速度为0.127g。

设计风速：离地面10 m 高，重现期100  a，10 min 平均最大风速27.5 m/s。

设计水位：1/300的设计洪水位196.57 m，考虑三峡水库运行100 a泥沙淤积后最高通航水位192.00 m，最低通航水位155.64 m。

航道等级及通航标准：内河Ⅰ-（2）级航道，单孔双向通航，航道净宽320 m，预留净高24 m。

设计环境类别：Ⅰ类（温热地区的大气环境。与无侵蚀性的水或土接触的环境）。

2.2 公路交通标准

道路等级为城市快速路；行车速度80 km/h；荷载标准为城-A级，人群荷载取值为2.875 kN/m2；桥面总宽37 m，其中人行道宽2.0 m、车行道宽15.5 m、隔离带宽2.0 m，车行道15.5 m，人行道宽2.0 m；桥面横坡2.0%，纵坡双向均为0.5%。

2.3 下层轨道交通

双向轨道交通最高设计运行速度均为100 km/h，轨道间距5.2 m；采用八辆编组的As型车，最大轴重150 kN；轨道车站范围内活荷载8 kN/m2（设备区）、4.0 kN/m2（公共区）；轨道纵坡双向均为0.5%；轨面以上净高7.0 m。

3 模型建立

采用 Midas Civil 2021软件建立有限元模型。采用仅受拉的索单元对主缆、吊杆进行模拟；采用考虑剪切的空间梁单元对钢桁梁进行模拟；主塔和钢桁梁横向主梁考虑截面变化，采用变截面梁单元进行模拟。全桥计算模型共建立5 286个节点，梁、索单元共计11 802个。见图2和表1。

有限元模型中未对锚碇和主塔塔根进行建模模拟，为简化建模直接采用 6个自由度受约束的一般支承边界条件，对4个关键点构成固定端；钢桁梁在桥塔和梁端位置处采用弹簧单元对竖向支座进行模拟，吊杆与钢桁梁之间的连接采用刚性连接。

4 结构分析

4.1 主缆

主缆单根索股采用127丝5.25 mm钢丝，共135股，截面面积A=371 147.02（mm2）。对成桥和运营阶段的主要组合应力状态下主缆强度进行分析，设计安全系数要求≮2.5。见图3和图4。

运营阶段主缆轴向拉力最大，为245 290.6 kN，主缆计算出来得最小安全系数γ=1 770×371 147.02 / （249 277×10）=2.64>2.5，主缆结构强度满足设计要求。

4.2 吊杆

吊索采用工艺成熟的预制平行钢丝束，单根靠塔侧南北岸对称的4根吊索由139丝?7mm 镀锌高强钢丝构成，其他吊索由109丝?7mm 镀锌高强钢丝构成，采用钢丝的标准抗拉强度1 770 MPa。吊索在成桥和运营阶段时主要荷载组合作用下，其设计强度安全系数≮3.0。见图5和图6。

运营阶段时计算的吊杆轴向拉力最大，为4 856.7 kN，吊杆最小安全系数γ=18 936 /4 856.7=3.90>2.5，吊杆强度满足设计要求。

4.3 钢桁梁主要杆件

钢桁梁最大应力约210.9 MPa，发生在中跨最中间吊索处斜支撑杆件上；在模型中钝化掉中跨最中间吊索处斜支撑，钢桁梁最大应力约191.3 MPa，发生在主塔支座位置。见图7和图8。

可见悬索桥中跨跨中位置设置中央扣件对钢桁梁受力有一定影响[5]。

4.4 变形

运营阶段荷载作用下，主梁最大向下挠度 1.231 m，小于设计建议限值L/400（L为梁的长度），满足设计要求。见图9。

5 结语

本文采用 Midas Civil有限元计算软件对某在建长江大桥公轨两用悬索桥进行计算分析，研究了该桥成桥状态和运营阶段关键部位力学特点，判定了结构安全状态，结构强度和刚度均满足设计要求，可为大跨度悬索桥设计提供参考。

参考文献：

[1]陈进昌，雷俊卿，金    令，等.千米级大跨公铁两用悬索桥结构特性及刚度指标研究[J].铁道标准设计，2022，66（6）：54-61.

[2]付文宣，袁灿，张    克，等. 五峰山长江大桥主塔横梁支架设计与施工关键技术[J].施工技术（中英文），2022，51（6）：19-23+35.

[3]陈    亮，刘    建，罗    胜. 结构参数对大跨度公铁两用悬索桥动力特性的影响研究[J]. 湖南交通科技，2019，45（3）：82-86.

[4]赵有红，高玉清，张    荣. Midas Civil在悬索桥结构验算中的应用[J]. 公路，2022， 67（3）：187-192.

[5]汪鸿鑫，叶爱君. 柔性中央扣对大跨度悬索桥地震反应的影响[J]. 土木工程与管理学报，2019，36（6）：161-165.

收稿日期：2022-05-24

课题名称：中建股份科技研发课题（CSCEC-2021-Z-30）

通讯作者：杨毅辉（1979 - ）， 男， 高级工程师， 从事城市橋梁施工技术工作。