馬蕊

東營市北外環(huán)橋少背索斜拉橋總體靜力計算分析

馬蕊

（1.同濟大學，上海200086；2.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，武漢430010）

摘要本文以東營市北外環(huán)橋為例，詳細介紹少背索斜拉橋受力特點，并通過有限元靜力模型計算，分別對橋梁的撓度、應力、索力和穩(wěn)定性進行數(shù)值分析，得到少背索斜拉橋總體靜力計算結果。

關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)斜拉橋和無背索斜拉橋之間，是一種主跨通過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。橋梁施工過程的精確模擬計算對橋梁安全施工起著關鍵性作用。模擬計算是通過選取合理模型，采取有效的斜拉橋結構施工階段分析方法，對橋梁的施工過程和成橋狀態(tài)進行一定精確度的模擬分析，進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)橋主墩中心樁號為K0+743.286，主橋主跨采用鋼箱梁，梁高3m，邊跨采用預應力混凝土梁，平直段梁高3m，漸變段梁高從3m漸變至3.5m，全長185m，跨徑布置為45m+140m?；炷吝吙绻灿?0種橫梁，端橫梁寬5.75，高5.5m，中橫梁寬5.1m，余每隔4m設置一道橫梁，橫梁寬0.3m或0.35m。橋梁立面圖見圖1。

主橋采用雙主梁結構，主跨鋼箱梁采用Q345qD級鋼，主橋邊跨為預應力混凝土箱梁，采用C55混凝土，縱、橫向預應力采用高強度低松弛鋼絞線，端橫梁和鋼混結合段部分采用JL32精軋螺紋粗鋼筋。鋼主塔采用Q345qD和Q370qD級鋼，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)設置12Φs15.2預應力索。主跨拉索采用PESFD7-121型彩色護套拉索，邊跨拉索采用PESFD7-211型彩色護套拉索，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　技術標準和荷載組合

3.1技術標準

（1）結構恒載

一期荷載包括主跨鋼箱梁按實際重量加載，邊跨預應力混凝土結構按實際重量加載，橫梁按集中荷載的形式加載。

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

防撞護欄（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力。

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

（3）人群荷載

人群荷載按《城市橋梁設計規(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：主跨鋼結構按英國《BS5400規(guī)范》取值，邊跨預應力混凝土結構按《公路橋涵設計通用規(guī)范》取值。

斜拉索與主梁、主塔的溫差按《公路斜拉橋設計細則》取值。

（5）基礎變位

不均勻沉降2cm。

（6）風荷載

按《公路橋梁抗風設計規(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應力混凝土橋涵設計規(guī)范》JTGD62-2004取值。

（8）抗震設防標準：地震動峰值加速度為0.1g，抗震設防烈度為7度。

（9）通航要求：規(guī)劃5.5x80m，河道通航水位4.0m。

（10）設計基準期：100年。

（11）設計安全等級：一級。

（12）環(huán)境類別：場地類別為Ⅲ類，環(huán)境作用等級為C級。

3.2荷載組合

（1）主跨鋼結構

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+制動力 提高系數(shù)1.25；

組合三：主力+風力 提高系數(shù)1.2；

組合四：主力+溫度力+風荷載（或者制動力）提高系數(shù)1.45。

（2）邊跨混凝土結構

組合五：標準值組合；

組合六：作用短期效應組合；

組合七：作用長期效應組合；

組合四：承載能力極限狀態(tài)設計基本組合。

4　計算模型

計算程序采用MIDAS/Civil軟件，計算模型主要采用梁單元和桁架單元，計算模型見圖3。

圖3　　計算模型

主梁和塔采用三維梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬。

5　計算結果

5.1結構撓度

活載作用下，主梁結構最大豎向位移為159mm＜140000/400=350mm，主塔結構最大豎向位移為53mm＜140000/400=350mm，滿足《公路橋涵鋼結構及木結構設計規(guī)范》第1.1.5條設計要求。

5.2支座反力

由表1可知，主力組合和標準值組合下，邊跨橋臺處支座未出現(xiàn)負反力。

5.3結構應力

（1）主跨主梁鋼結構應力

由表2可知，各組合主梁鋼結構應力計算結果滿足規(guī)范要求。

表2　主梁鋼結構應力表

（2）邊跨主梁預應力混凝土結構應力

由表3可知，各組合主梁混凝土結構應力計算結果滿足規(guī)范要求。

表3　主梁混凝土結構應力表

（3）主塔鋼結構應力

由表4可知，各組合主塔鋼結構應力計算結果滿足規(guī)范要求。

表4　主塔鋼結構應力表

（4）拉索索力（見表5）

表5　拉索索力表

5.4整體穩(wěn)定性計算

為確保橋梁在施工階段以及運營狀態(tài)下的結構穩(wěn)定性，通過建立空間有限元模型，采用特征值屈曲理論對結構進行了穩(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)定分析結果見表6。

表6　彈性屈曲穩(wěn)定分析結果

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

表7　彈性屈曲穩(wěn)定分析結果

從以上計算結果可以看出，結構在恒載、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，表明結構具有足夠的穩(wěn)定安全性。

6　結語

（1）少背索斜塔斜拉橋設計與施工中，嚴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，尤其是當活載在總荷載比例較大時應予以妥善處理。

參考文獻

［1］JTG/TD65-01-2007，公路斜拉橋設計細則.北京：人民交通出版社，2007.

［2］GB50017-2003，鋼結構設計規(guī)范.北京：中國計劃出版社，2003.

［3］嚴國敏．現(xiàn)代斜拉橋，范立礎．橋梁工程（上冊），吳沖．現(xiàn)代鋼橋（上冊）［M］．北京：人民交通出版社，2006.