吳 鑫

(太原市市政工程設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030002)

1 工程概況及計(jì)算模型的建立

正在修建的古交市火山新區(qū)汾河景觀橋梁工程是連接汾河兩岸的重要交通工程，同時(shí)也是汾河上的重要景觀節(jié)點(diǎn)，建成后將成為古交市標(biāo)志性的建筑(見圖1)。該橋?yàn)橄鲁惺竭B續(xù)梁拱組合體系橋，跨徑布置為(28+36+80+36+28)m，全橋總長(zhǎng)為218 m，橋面標(biāo)準(zhǔn)寬度為27 m，在橋臺(tái)兩端15 m范圍內(nèi)，橋?qū)捰?7 m按直線漸變?yōu)?1.04 m(見圖2)。主梁采用大懸臂變截面預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，標(biāo)準(zhǔn)段截面為單箱四室斜腹板截面形式，加寬段為單箱六室結(jié)構(gòu)，中跨梁高由4.5 m漸變到2.2 m，邊跨梁高由4.5 m漸變到1.8 m，梁高漸變曲線均采用2.5次拋物線。拱肋采用鋼箱拱，主拱在橫斷面內(nèi)呈6°V形布置(單側(cè)拱與豎直面成3°夾角)，拱肋沿橋梁中心線和橋跨中心線對(duì)稱布置，拱平面內(nèi)，主拱拱軸線為5次拋物線，矢跨80 m，矢高20.9 m，面內(nèi)矢跨比約為1/3.828，拱肋采用矩形截面，靠橋梁中心線側(cè)設(shè)倒角，拱肋截面高度和倒角均沿拱軸線均勻變化，拱頂處頂截面寬1.2 m，斷面高2.5 m，拱底處頂截面寬1.2 m，斷面高2.25 m。主梁及拱座均采用C50混凝土，鋼拱采用Q345E鋼材。吊索設(shè)計(jì)考慮到疲勞、吊裝及可更換性(無(wú)需中斷交通)，吊索均采用HDPE護(hù)套的φ7.0 mm鍍鋅高強(qiáng)度平行鋼絲吊索，吊索上下端錨頭均為冷鑄錨，本橋共設(shè)置14對(duì)吊索，沿橋軸水平向吊點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)中心距為4.5 m和5 m，在主拱平面內(nèi)斜向布置，且關(guān)于主跨中心對(duì)稱布置。主橋橋墩采用C40混凝土，樁基礎(chǔ)及承臺(tái)均采用C30混凝土。由于該景觀橋梁拱腳固結(jié)在箱梁腹板內(nèi)，拱肋的受力與箱梁的受力互相影響，受力較復(fù)雜，為了確保橋梁的安全，需要對(duì)該橋的設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力、抗震性能及穩(wěn)定性分析[2-5]。

采用有限元軟件Midas Civil進(jìn)行建模，在橋梁有限元建模中，結(jié)合類似橋梁的建模經(jīng)驗(yàn)[6-8]，橋梁各構(gòu)件均采用梁?jiǎn)卧M，橋梁有限元計(jì)算模型如圖3和圖4所示。材料等參數(shù)根據(jù)現(xiàn)行橋梁相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范確定。邊界條件的模擬按照選用的支座參數(shù)進(jìn)行模擬，荷載的施加按照實(shí)際情況進(jìn)行施加。橋梁所承受的車道荷載和人群荷載按照規(guī)范輸入即可；主梁縱向預(yù)應(yīng)力鋼束根據(jù)鋼束形狀的空間坐標(biāo)輸入到Midas Civil中，并施加預(yù)應(yīng)力荷載，程序自動(dòng)計(jì)算預(yù)應(yīng)力損失；混凝土的收縮、徐變通過(guò)定義材料參數(shù)，并定義施工階段，由程序自動(dòng)計(jì)算。

2 橋梁結(jié)構(gòu)分析

2.1 結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算

為了對(duì)火山新區(qū)汾河景觀橋進(jìn)行力學(xué)性能分析，采用3種不同荷載工況進(jìn)行計(jì)算：荷載工況1：恒載+溫度+沉降；荷載工況2：恒載+活載(汽車和人群)+溫度；荷載工況3：恒載+活載(汽車和人群)+溫度+沉降。

根據(jù)以上3種計(jì)算工況，計(jì)算了該橋的靜態(tài)力學(xué)性能，分析計(jì)算結(jié)果，該橋在成橋狀態(tài)下，箱梁和拱圈總體處于受壓狀態(tài)，在3種工況下，箱梁應(yīng)力最大計(jì)算值為-7.38 MPa(負(fù)號(hào)表示受壓，下同)，應(yīng)力最小計(jì)算值為-1.30 MPa，且小于C50混凝土的抗壓強(qiáng)度，滿足規(guī)范要求。剪力計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。由于預(yù)應(yīng)力和吊桿力的作用，彎矩圖與普通連續(xù)梁橋有不同，在第二根吊桿附近出現(xiàn)較大的負(fù)彎矩，在拱腳處彎矩出現(xiàn)突變，這是因?yàn)楣袄吆拖淞焊拱鍎偨拥脑?；整座橋的變形以豎向變形為主，箱梁的位移最大值為-53 mm，均小于設(shè)計(jì)值的豎直向下位移，通過(guò)設(shè)置一定的預(yù)拱度，滿足設(shè)計(jì)線形要求。拱肋整體以受壓為主，應(yīng)力在拱肋分布較均勻，拱腳處應(yīng)力較大，拱肋中心應(yīng)力較小，拱肋應(yīng)力最大計(jì)算值為-135.43 MPa(負(fù)號(hào)表示受壓，下同)，應(yīng)力最小計(jì)算值為-20.21 MPa，拱肋中心最大豎向位移為-29 mm，吊桿受力中間最大，兩側(cè)最小，最大值為862 kN，最小值569 kN，均滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

2.2 抗震性能計(jì)算

采用空間模型計(jì)算該橋的自振特性，通過(guò)Lanczos法計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，表1只給出該橋前5階自振結(jié)果，該橋橋墩縱向剛度小于橫向剛度，同時(shí)拱肋和箱梁相比，拱肋剛度較小，橋面板橫向剛度遠(yuǎn)大于豎向剛度，各階振型特征比較復(fù)雜。

表1 主橋振動(dòng)特性

2.3 拱肋穩(wěn)定性分析

針對(duì)該橋的特點(diǎn)建立有限元模型，對(duì)該橋進(jìn)行成橋階段的屈曲穩(wěn)定分析，研究了橋梁結(jié)構(gòu)的空間穩(wěn)定性問(wèn)題[9]，分析結(jié)果表明：該橋成橋狀態(tài)下第1階失穩(wěn)模態(tài)為拱肋面外側(cè)傾屈曲失穩(wěn)，形狀似半個(gè)正弦波，該拱的橫向剛度小于豎向剛度，拱腳處由于嵌固在箱梁中腹板中，以及拱腳自身具有較大的剛度，拱腳處的穩(wěn)定性均有很大的提高，成橋階段拱肋的第1階彈性屈曲安全系數(shù)為7.42，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的研究成果，橋梁穩(wěn)定安全系數(shù)的取值不宜小于4[10]，滿足一般拱橋穩(wěn)定系數(shù)大于4～5的要求。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)古交市火山新區(qū)汾河景觀橋的結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)，使用Midas Civil對(duì)該橋分別進(jìn)行靜力和動(dòng)力特性分析，橋梁各構(gòu)件受力良好，橋梁整體線形控制較好，滿足使用和對(duì)景觀的要求。該橋的設(shè)計(jì)兼顧橋梁美學(xué)與工程經(jīng)濟(jì)性的要求，結(jié)構(gòu)形式新穎，空間立體感強(qiáng)，與周圍環(huán)境融為一體，建成后將成為古交市火山新區(qū)汾河上的一座標(biāo)志性的建筑。