黃斌勇 邵 敏

自錨式懸索橋是高次超靜定結構體系,它不僅具有傳統(tǒng)懸索橋的力學特征,而且由于主梁受到巨大的軸向壓力,主梁存在著壓彎效應,使得其幾何非線性更為嚴重,在各種外荷載作用下,自錨式懸索橋的受力性能是決定懸索橋結構設計的主要根據(jù),因此對自錨式懸索橋的成橋狀態(tài)進行靜力性能分析非常必要。

本文以位于浙江省的某混凝土自錨式懸索橋實橋為例,進行該橋的力學性能研究。該橋主橋跨徑布置為40 m+118 m+40 m,全長198 m,寬 24 m。該橋梁設計荷載等級為城—A級,人群4 kN/m2,設計車速為 30 km/h,橋面布置為 3.0(人行道)+2.0(索面及綠化)+14.0(行車道)+2.0(索面及綠化)+3.0(人行道)=24.0 m。

1 Midas有限元模型建立

1.1 計算模型

本文計算模型基于有限位移理論,用Midas/Civil軟件建立三維有限元模型。結合考慮自錨式懸索橋的幾何非線性影響。根據(jù)各個橋梁構件的形式和受力特點,建模過程中,共采用了三種單元：空間梁單元、索單元和板單元。計算模型中共包含1 038個節(jié)點和2 000個單元,見圖1。

1.2 大橋各部分的有限元模擬

纜和吊索采用索單元,索塔、加勁梁和橫梁采用梁單元,橋面板采用板單元。結構的約束條件是：主塔塔底為固結,主纜在塔頂與主塔的連接按剛性連接考慮,加勁梁梁端根據(jù)實際支座布置形式,確定主梁約束情況;加勁梁在主塔處設置的約束,也以實際支座布置情況設置主從約束。

2 實橋靜力特性分析

2.1 恒載效應分析

恒載效應計算分析中,混凝土容重為26 kN/m3,二期恒載包括橋面鋪裝、防撞墻、人行道欄桿以及人行道鋪裝等荷載,通過面荷載施加在橋面板上,2 kN/m2。

根據(jù)以上建立的模型,計算分析自錨式懸索橋在成橋狀態(tài)結構恒載作用下的加勁梁、主纜、吊桿、索塔等構件內力及應力。

在恒載作用下,橋梁結構的變形較小,最大豎向變形發(fā)生在主跨跨中,為7.0 cm,最大縱向位移發(fā)生在塔頂,為 2.0 cm。

圖2為主梁在恒載作用下的應力圖?？梢?加勁梁應力比較均勻,上緣基本受壓,上緣最大壓應力在主跨跨中,為4.4 MPa;下緣在跨中出現(xiàn)了0.4 MPa的拉應力,最大壓應力為10.8 MPa,為靠近塔柱處。加勁梁的應力均在合理范圍內。

橋塔在恒載作用下,基本處于中心受壓狀態(tài),主塔最大壓應力為-10.1 MPa,位置在上塔柱與下橫梁相交處,滿足規(guī)范要求。

主纜在恒載作用下,應力在214.1 MPa～259.7 MPa之間,應力均勻且均在合理范圍內。恒載作用下,吊桿應力在149.2 MPa～196.7 MPa之間。

通過以上計算分析可知,在恒載作用下,自錨式懸索橋的位移較小,加勁梁的應力、主纜以及吊索的應力均勻,均滿足要求。

2.2 活載效應分析

全橋根據(jù)設計布置為機動車道四車道(雙向),人行道二車道(每側一道)。在有限元分析中考慮偏載布置機動車道,人行道按照滿布行人來考慮。實際計算時按照四(機動車道)+二(人行道)=六車道來布置。

車輛荷載取值：城市—A級,根據(jù)實際結構形式進行橫向汽車荷載多車道加載。人群荷載取值按照CJJ 11-93城市橋梁設計準則取值,最不利組合為四車道(折減)+二人行道荷載。

從圖3中可以看出,活載作用下主跨加勁梁跨中豎向最大下?lián)蠟?5 mm,參考《公路懸索橋設計規(guī)范》(送審稿)中390 mm的要求(L/300,L為跨度,本橋中跨為118 m),主跨結構滿足撓度要求;縱向最大位移為橋塔頂部,為11 mm。

車道、人群荷載作用下,加勁梁的最大彎矩與最大軸力均出現(xiàn)在主跨約1/4處,約為1 800 kN?m和 2 200 kN?；钶d作用下橋塔最大彎矩出現(xiàn)在橋塔根部,約 5 600 kN?m。

橋梁使用階段,主纜和吊索產(chǎn)生的拉應力均勻且值不大,主纜和吊索受力狀況良好。

在最不利活載的作用下,邊跨支座出現(xiàn)了負反力,因此需要對邊跨端部進行壓重。

[1]杭州市城建設計研究院.江山市北關大橋工程擴大初步設計[R].2003.

[2]Midas/Civil用戶手冊[Z].北京：北京邁達斯技術有限公司,2003.