馬蕊

東營(yíng)市北外環(huán)橋少背索斜拉橋總體靜力計(jì)算分析

馬蕊

（1.同濟(jì)大學(xué)，上海200086；2.中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，武漢430010）

摘要本文以東營(yíng)市北外環(huán)橋?yàn)槔?，詳?xì)介紹少背索斜拉橋受力特點(diǎn)，并通過(guò)有限元靜力模型計(jì)算，分別對(duì)橋梁的撓度、應(yīng)力、索力和穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值分析，得到少背索斜拉橋總體靜力計(jì)算結(jié)果。

關(guān)鍵詞少背索斜拉橋自平衡受力

1　引言

少背索斜拉橋介于常規(guī)斜拉橋和無(wú)背索斜拉橋之間，是一種主跨通過(guò)斜拉索傳遞到主塔上的作用力與邊跨拉索和傾斜的主塔自重相平衡，主塔塔腳彎矩基本為零的自平衡體系。橋梁施工過(guò)程的精確模擬計(jì)算對(duì)橋梁安全施工起著關(guān)鍵性作用。模擬計(jì)算是通過(guò)選取合理模型，采取有效的斜拉橋結(jié)構(gòu)施工階段分析方法，對(duì)橋梁的施工過(guò)程和成橋狀態(tài)進(jìn)行一定精確度的模擬分析，進(jìn)而控制斜拉索初始張拉力，使得斜拉橋的線型和受力滿足要求，確保了該橋在成橋后線型美觀，受力性能滿足要求。

2　工程概況

北外環(huán)橋主墩中心樁號(hào)為K0+743.286，主橋主跨采用鋼箱梁，梁高3m，邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁，平直段梁高3m，漸變段梁高從3m漸變至3.5m，全長(zhǎng)185m，跨徑布置為45m+140m?；炷吝吙绻灿?jì)10種橫梁，端橫梁寬5.75，高5.5m，中橫梁寬5.1m，余每隔4m設(shè)置一道橫梁，橫梁寬0.3m或0.35m。橋梁立面圖見(jiàn)圖1。

主橋采用雙主梁結(jié)構(gòu)，主跨鋼箱梁采用Q345qD級(jí)鋼，主橋邊跨為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，采用C55混凝土，縱、橫向預(yù)應(yīng)力采用高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，端橫梁和鋼混結(jié)合段部分采用JL32精軋螺紋粗鋼筋。鋼主塔采用Q345qD和Q370qD級(jí)鋼，部分下塔柱灌注C40微膨脹混凝土，塔腳采用C55混凝土，塔腳內(nèi)設(shè)置12Φs15.2預(yù)應(yīng)力索。主跨拉索采用PESFD7-121型彩色護(hù)套拉索，邊跨拉索采用PESFD7-211型彩色護(hù)套拉索，四根并一根。

橫斷面布置：34m=2.25m（拉索區(qū)）+2.75m（人行道道）+11.5m（車行道）+1m（中央隔離墩）+11.5m（車行道）+2.75m（人行道道）+2.25m（拉索區(qū)）。橋梁橫斷面圖見(jiàn)圖2。

圖1　橋梁立面布置圖 （單位：m）

圖2　橋梁斷面布置圖 （單位：m）

3　技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和荷載組合

3.1技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）結(jié)構(gòu)恒載

一期荷載包括主跨鋼箱梁按實(shí)際重量加載，邊跨預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)按實(shí)際重量加載，橫梁按集中荷載的形式加載。

二期荷載：計(jì)算按車行道鋪裝8cm環(huán)氧瀝青，人行道3cm彩色瀝青。

防撞護(hù)欄（每道）4KN/m，人行道欄桿（每道）2.3kN/m。

（2）車道荷載

按雙向六車道取最不利組合，考慮多車道橫向折減以及汽車沖擊力制動(dòng)力。

城-A級(jí)車道荷載：均布荷載qk=10.5kN/m，集中荷載Pk=360kN。

（3）人群荷載

人群荷載按《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ11-2011）取用。

（4）溫度荷載

整體溫差：整體升溫30℃，整體降溫36℃。

梯度溫度：主跨鋼結(jié)構(gòu)按英國(guó)《BS5400規(guī)范》取值，邊跨預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》取值。

斜拉索與主梁、主塔的溫差按《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》取值。

（5）基礎(chǔ)變位

不均勻沉降2cm。

（6）風(fēng)荷載

按《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG/TD60-01-2004取值。

（7）混凝土收縮、徐變

按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》JTGD62-2004取值。

（8）抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：地震動(dòng)峰值加速度為0.1g，抗震設(shè)防烈度為7度。

（9）通航要求：規(guī)劃5.5x80m，河道通航水位4.0m。

（10）設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期：100年。

（11）設(shè)計(jì)安全等級(jí)：一級(jí)。

（12）環(huán)境類別：場(chǎng)地類別為Ⅲ類，環(huán)境作用等級(jí)為C級(jí)。

3.2荷載組合

（1）主跨鋼結(jié)構(gòu)

組合一（主力）：恒載（包含沉降）+活載（車道、人群）提高系數(shù)1.0；

組合二：主力+制動(dòng)力 提高系數(shù)1.25；

組合三：主力+風(fēng)力 提高系數(shù)1.2；

組合四：主力+溫度力+風(fēng)荷載（或者制動(dòng)力）提高系數(shù)1.45。

（2）邊跨混凝土結(jié)構(gòu)

組合五：標(biāo)準(zhǔn)值組合；

組合六：作用短期效應(yīng)組合；

組合七：作用長(zhǎng)期效應(yīng)組合；

組合四：承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)基本組合。

4　計(jì)算模型

計(jì)算程序采用MIDAS/Civil軟件，計(jì)算模型主要采用梁?jiǎn)卧丸旒軉卧?，?jì)算模型見(jiàn)圖3。

圖3　　計(jì)算模型

主梁和塔采用三維梁?jiǎn)卧M，斜拉索采用桁架單元模擬。

5　計(jì)算結(jié)果

5.1結(jié)構(gòu)撓度

活載作用下，主梁結(jié)構(gòu)最大豎向位移為159mm＜140000/400=350mm，主塔結(jié)構(gòu)最大豎向位移為53mm＜140000/400=350mm，滿足《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》第1.1.5條設(shè)計(jì)要求。

5.2支座反力

由表1可知，主力組合和標(biāo)準(zhǔn)值組合下，邊跨橋臺(tái)處支座未出現(xiàn)負(fù)反力。

5.3結(jié)構(gòu)應(yīng)力

（1）主跨主梁鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力

由表2可知，各組合主梁鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

表2　主梁鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力表

（2）邊跨主梁預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力

由表3可知，各組合主梁混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

表3　主梁混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力表

（3）主塔鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力

由表4可知，各組合主塔鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果滿足規(guī)范要求。

表4　主塔鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力表

（4）拉索索力（見(jiàn)表5）

表5　拉索索力表

5.4整體穩(wěn)定性計(jì)算

為確保橋梁在施工階段以及運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，通過(guò)建立空間有限元模型，采用特征值屈曲理論對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。其特征值屈曲荷載因子及其失穩(wěn)模態(tài)如下：

（1）成橋后穩(wěn)定性分析中，彈性屈曲穩(wěn)定分析結(jié)果見(jiàn)表6。

表6　彈性屈曲穩(wěn)定分析結(jié)果

（2）施工階段裸塔穩(wěn)定性分析中，彈性屈曲穩(wěn)定分析結(jié)果見(jiàn)表7。

表7　彈性屈曲穩(wěn)定分析結(jié)果

從以上計(jì)算結(jié)果可以看出，結(jié)構(gòu)在恒載、恒載+跨中活載滿布穩(wěn)定安全系數(shù)分別為32.4和29.2；施工階段裸塔工況穩(wěn)定系數(shù)為227.7，均大于4，表明結(jié)構(gòu)具有足夠的穩(wěn)定安全性。

6　結(jié)語(yǔ)

（1）少背索斜塔斜拉橋設(shè)計(jì)與施工中，嚴(yán)格控制斜塔的位移和內(nèi)力及拉索索力的調(diào)整是全橋的關(guān)鍵。

（2）少背索斜塔斜拉與一般斜拉橋相比，活載下變形較大，尤其是當(dāng)活載在總荷載比例較大時(shí)應(yīng)予以妥善處理。

參考文獻(xiàn)

［1］JTG/TD65-01-2007，公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則.北京：人民交通出版社，2007.

［2］GB50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

［3］嚴(yán)國(guó)敏．現(xiàn)代斜拉橋，范立礎(chǔ)．橋梁工程（上冊(cè)），吳沖．現(xiàn)代鋼橋（上冊(cè)）［M］．北京：人民交通出版社，2006.