趙巖飛

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

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運(yùn)營(yíng)階段斜拉橋主梁在不同荷載組合下的內(nèi)力分析

趙巖飛

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西西安 710043)

為研究運(yùn)營(yíng)階段不同荷載組合對(duì)斜拉橋主梁內(nèi)力的影響，以某新建雙塔混凝土斜拉橋工程為依托，采用MIDAS/Civil建立了斜拉橋有限元模型，對(duì)斜拉橋在運(yùn)營(yíng)階段主梁內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算分析，得出了不同荷載組合下的斜拉橋主梁內(nèi)力及混凝土應(yīng)力。結(jié)果表明：運(yùn)營(yíng)階段不同荷載組合中主梁橫截面上的最大壓應(yīng)力為23.73 MPa，發(fā)生于南主塔處梁肋，最大拉應(yīng)力為4.63 MPa，發(fā)生于主塔最外側(cè)梁肋角點(diǎn)，對(duì)應(yīng)荷載組合為L(zhǎng)M4+人行道荷載；只有塔梁支座處局部的拉應(yīng)力較大；最大剪應(yīng)力發(fā)生于P2索塔附近橋面板，大小為10.63 MPa，對(duì)應(yīng)荷載組合亦為L(zhǎng)M4+人行道荷載。

斜拉橋; 主梁； 荷載組合; 內(nèi)力

為研究運(yùn)營(yíng)階段不同荷載組合對(duì)斜拉橋主梁內(nèi)力的影響，以某新建雙塔混凝土斜拉橋工程為依托，采用MIDAS/Civil建立了斜拉橋有限元模型，對(duì)斜拉橋在運(yùn)營(yíng)階段的主梁內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算得出了不同荷載組合下的斜拉橋主梁內(nèi)力及混凝土應(yīng)力。

1 工程概況

某新建斜拉橋主橋采用主跨為285 m預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，橋梁跨徑布置采用49+81+285+81+49=545 m，為雙塔雙索面半漂浮結(jié)構(gòu)體系。該預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋總體布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 整體布置

大橋索塔采用鉆石造型索塔，包括塔座、下塔柱、中塔柱、上塔柱、3 道索塔橫梁。索塔錨固區(qū)采用鋼錨箱結(jié)構(gòu)。采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，樁基直徑2.0 m。主梁采用混凝土Π型雙邊主梁，為C45/55預(yù)應(yīng)力混凝土，主梁中心梁高2.2 m，橋?qū)?2.0 m，頂面設(shè)置雙向2.4 %橫坡，主梁斷面橫向左右側(cè)不對(duì)稱，河側(cè)有人行道，橋?qū)?2.25 m，城市側(cè)橋?qū)?.75 m，詳細(xì)布置見(jiàn)圖2，采用鋼絞線斜拉索。

圖2 主梁標(biāo)準(zhǔn)橫截面布置

2 計(jì)算建模

2.1 計(jì)算模型

采用MIDAS/Civil對(duì)該斜拉橋進(jìn)行計(jì)算分析，用雙主梁?jiǎn)卧?板單元建立曲線斜拉橋的全橋模型(圖3)。在一般橋梁的有限元計(jì)算中，橫隔梁不影響順橋向與豎向的應(yīng)力和變形，因此只須采用等效集中荷載的方式考慮其自重的影響即可。但在曲線梁中，橫隔梁對(duì)翼緣板的豎向變形和翹曲都將產(chǎn)生約束作用，因此應(yīng)考慮其剛度，所以在本計(jì)算中采用梁?jiǎn)卧獊?lái)實(shí)現(xiàn)橫隔梁模擬[1-3]。

(a)長(zhǎng)度為9m的梁段

(b)長(zhǎng)度為6m的梁段

全橋有限元模型見(jiàn)圖4所示，單元總數(shù)為2 301個(gè)。

圖4 全橋有限元模型

2.2 計(jì)算荷載

運(yùn)營(yíng)階段采用三種荷載組合，一種為L(zhǎng)M1+人行道荷載，另外一種為L(zhǎng)M4+人行道荷載，第三種為L(zhǎng)M1+風(fēng)荷載組合[4-6]。

汽車荷載：歐洲規(guī)范LM1、LM2、LM4。

人群荷載：均布荷載5 kN/m2。

風(fēng)荷載：基本風(fēng)速vb=15 m/s。

3 不同荷載組合下主塔計(jì)算結(jié)果分析

3.1 主梁內(nèi)力

不同荷載組合作用下主梁內(nèi)力如表1～表3所示。主梁各截面上的內(nèi)力均通過(guò)求取該截面上的橋面板單元內(nèi)力與兩肋梁?jiǎn)卧獌?nèi)力的合力獲得。

表1 不同荷載組合作用下主梁最大彎矩

(a) LM1+人群荷載軸力

(b) LM1+人群荷載豎向剪力

(c) LM1+人群荷載彎矩圖5 LM1+人群荷載組合作用下主梁內(nèi)力

荷載組合最大軸力/kN位置沿線路前進(jìn)方向的坐標(biāo)/mLM1+人行道荷載8471.08271.075LM4+人行道荷載-13745.98129.823LM1+風(fēng)荷載-129260.42499.435

表3 不同荷載組合作用下主梁最大豎向剪力

不同荷載組合作用下主梁軸力圖、剪力圖及彎矩圖如圖5～圖7所示。

(a) LM4+人群荷載軸力

(b) LM4+人群荷載豎向剪力

(c) LM4+人群荷載彎矩圖6 LM4+人群荷載組合作用下主梁內(nèi)力

3.2 主梁混凝土應(yīng)力

不同荷載組合作用下，主梁各橫截面上的混凝土應(yīng)力如表4所示。

表4 不同荷載組合作用下主梁橫截面應(yīng)力

(a) LM1+風(fēng)荷載軸力

(b) LM1+風(fēng)荷載豎向剪力

(c) LM1+風(fēng)荷載彎矩圖7 LM1+風(fēng)荷載組合作用下主梁內(nèi)力

由上分析可見(jiàn)不同的荷載組合中主梁橫截面上的最大壓應(yīng)力為23.73 MPa，發(fā)生于南主塔處梁肋，荷載組合為L(zhǎng)M4+人行道荷載；最大拉應(yīng)力為4.63 MPa，發(fā)生于主塔最外側(cè)梁肋角點(diǎn)，荷載組合為L(zhǎng)M4+人行道荷載，經(jīng)分析，只有塔梁支座處局部的拉應(yīng)力較大；最大剪應(yīng)力為10.63 MPa，發(fā)生于P2索塔附近橋面板，荷載組合為L(zhǎng)M4+人行道荷載。

由于篇幅限制，僅列出LM1+人行道荷載下主梁各部位應(yīng)力云圖，具體見(jiàn)圖8～圖11。

圖8 LM1+人行道荷載組合下主梁橋面板正應(yīng)力

圖9 LM1+人行道荷載組合下主梁橋面板剪應(yīng)力

圖10 LM1+人行道荷載組合下主梁梁肋及橫隔梁正應(yīng)力

圖11 LM1+人行道荷載組合下主梁梁肋及橫隔梁剪應(yīng)力

4 結(jié)論

運(yùn)營(yíng)階段不同荷載組合下主梁內(nèi)力最大值位置差異較大，主梁橫截面上的最大壓應(yīng)力為23.73 MPa，發(fā)生于南主塔處梁肋，荷載組合為L(zhǎng)M4+人行道荷載；最大拉應(yīng)力為4.63 MPa，發(fā)生于主塔最外側(cè)梁肋角點(diǎn)，荷載組合為L(zhǎng)M4+人行道荷載。經(jīng)分析，只有塔梁支座處局部的拉應(yīng)力較大；最大剪應(yīng)力為10.63 MPa，發(fā)生于P2索塔附近橋面板，荷載組合為L(zhǎng)M4+人行道荷載。

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趙巖飛(1990～),男，碩士，助理工程師，主要從事混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究。

U448.27

A

[定稿日期]2017-03-03