■吳 帥

(新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院， 烏魯木齊 830000)

橋梁結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代交通系統(tǒng)的重要組成部分，其中斜拉橋具有跨度大、自重輕、造價經(jīng)濟(jì)、外形美觀等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。近年來，斜拉橋整體跨徑越來越大， 城市大寬幅景觀橋的使用上也越來越多。 因此，施工結(jié)構(gòu)分析是保障橋梁安全施工的重要措施。 橋梁的施工結(jié)構(gòu)分析的內(nèi)容包含了施工過程中涉及的溫度、預(yù)應(yīng)力、收縮徐變等影響因素和橋梁的大跨和掛籃施工的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[5-6]。結(jié)構(gòu)分析過程中通過理論計(jì)算和現(xiàn)場實(shí)測的數(shù)據(jù)對比來更好地保證橋梁的施工順利。 本文以湖北省孝感市老澴河景觀橋梁工程天仙南路橋?yàn)楸尘?，采用MIDAS/CIVIL 建立全橋數(shù)值計(jì)算模型，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

1 工程概況

本文以孝感市天仙南路橋?yàn)楣こ瘫尘?，其橋型為跨?25+35+45+35)m 的超寬獨(dú)塔斜拉橋。斜拉索布置在橋梁中心線處，上部結(jié)構(gòu)主梁采用變截面混凝土箱梁，采用C50 混凝土，采用水中插打鋼管樁，上鋪貝雷梁法一次整體現(xiàn)澆。主梁橫向布置為：3.5 m(人行道)+4 m(拉索區(qū))+8.5 m(機(jī)動車道)+8.5 m(機(jī)動車道)+4 m(拉索區(qū))+ 3.5 m(人行道)。

橋梁主塔采用變截面異形主塔， 截面為矩形，塔高54.5 m，主塔下端接承臺，主塔上部兩分肢間采用系梁連接。 主塔采用C40 混凝土，主塔承臺采用C30 混凝土[7]。

全橋共設(shè)置36 根拉索， 拉索關(guān)于主梁中心線對稱布置。 為方便分析，將順橋向左側(cè)拉索編號為：ZA1～ZA9，ZB1～ZB9， 右側(cè)拉索編號為YA1～YA9，YB1～YB9，橋梁總體布置圖如圖1 所示。

圖1 橋梁總體布置圖

2 有限元分析

主梁采用的是超寬幅混凝土箱梁，由于寬幅較大，故采用梁格法建模。 索塔采用實(shí)體單元模擬，主塔是異形塔。 拉索為受拉壓構(gòu)件，由于在施工過程中要給斜拉索施加預(yù)拉力，本橋中斜拉索可以采用桁架單元模擬，建模過程中，與索塔單元以節(jié)點(diǎn)相連接， 與主梁實(shí)際接觸部分采用剛性連接進(jìn)行連接，并且對主梁和斜拉索實(shí)際接觸的地方按設(shè)計(jì)資料里面的要求進(jìn)行加強(qiáng)，防止在有限元計(jì)算時局部應(yīng)力過大[8-10]。

邊界條件的模擬方式為： 在箱梁兩端的支座位置將順橋向(x 方向)，橫向(y 方向)，豎向(z 方向)的位移進(jìn)行約束。 在對橋梁各個構(gòu)件進(jìn)行建模之后，最后將各構(gòu)件進(jìn)行約束連接，形成全橋的有限元模型[11](圖2)。

圖2 全橋有限元計(jì)算模型

3 各施工階段受力分析

3.1 主梁結(jié)構(gòu)分析

工況1：在自重作用下混凝土箱梁位移云圖，梁單元應(yīng)力云圖分別如圖3～4 所示， 其最大位移為-15.65 mm， 位于主梁第三跨跨中， 最大拉應(yīng)力為4.70 MPa，位于第三跨、第四跨跨中，最大壓應(yīng)力為6.95 MPa，位于第二、第三支座處。

圖3 混凝土箱位移云圖

工況2： 在二期恒載作用下混凝土箱梁位移云圖，梁單元應(yīng)力云圖分別如圖5～6 所示，其最大位移為-1.27 mm， 位于主梁第三跨跨中， 最大拉應(yīng)力為0.37 MPa，位于第三跨、第四跨跨中，最大壓應(yīng)力為0.55 MPa，位于第二、第三支座處。

圖4 混凝土箱梁應(yīng)力云圖

圖5 主梁位移云圖

圖6 主梁應(yīng)力云圖

工況3： 在活載作用下混凝土箱梁位移云圖，梁單元應(yīng)力云圖分別如圖7～8 所示， 其最大位移為-2.12 mm，位于主梁第三跨跨中，最大拉應(yīng)力為1.8 MPa， 位于第一、 第三支座處， 最大壓應(yīng)力為14.86 MPa，位于第三支座處。

工況4：混凝土收縮徐變后，混凝土箱梁位移云圖，梁單元應(yīng)力云圖分別如圖9～10 所示，其最大位移為-5.68 mm，位于主梁第三跨跨中，最大拉應(yīng)力為2.72 MPa，位于第一、第三支座處，最大壓應(yīng)力為10.4 MPa，位于第三支座處。

圖7 混凝土箱梁位移云圖

圖8 混凝土箱梁應(yīng)力云圖

圖9 混凝土箱梁位移云圖

圖10 混凝土箱梁應(yīng)力云圖

工況5：在成橋+活載工況下，混凝土箱梁位移云圖，梁單元應(yīng)力云圖分別如圖11～12 所示，其最大位移-20.56 mm，位于主梁第四跨跨中，最大拉應(yīng)力為1.81 MPa，位于第一、第三支座處，最大壓應(yīng)力為14.86 MPa，位于第三支座處。

圖11 混凝土箱梁位移云圖

圖12 混凝土箱梁應(yīng)力云圖

由以上5 種工況所計(jì)算出的位移及應(yīng)力結(jié)果可知， 主梁成橋最大位移為最終拉應(yīng)力1.81 MPa，略小于主梁采用的C50 混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ftd=1.83 MPa。最大壓應(yīng)力14.86 MPa，小于C50混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值ftcd=22.4 MPa。因此主梁應(yīng)力滿足安全要求。

3.2 斜拉索內(nèi)力變化分析

斜拉索在不同工況下的內(nèi)力大小如表1 所示。

表1 在不同工況下斜拉索內(nèi)力(單位：N)

續(xù)表(單位：N)

由表1 可以看出，左右兩側(cè)相對應(yīng)的斜拉索內(nèi)力相差不大，且在恒載和成橋狀態(tài)下的拉索內(nèi)力較小，平均為24 N 和40 N，說明這2 種工況下拉索幾乎不受力的作用。 總體荷載加上活載后，拉索內(nèi)力明顯變大，平均為5553 N。在MIDAS 軟件有限元模擬計(jì)算下，斜拉索最大內(nèi)力為8.05 kN，設(shè)計(jì)斜吊桿成橋內(nèi)力最大為10 kN，與設(shè)計(jì)值相差19.5%，計(jì)算結(jié)果誤差不大。 最大內(nèi)力出現(xiàn)在YB8 拉索上，相對ZB8 的內(nèi)力也較大，為了使橋梁在正常工作狀態(tài)下所有斜吊桿所受拉力基本接近，降低斜吊桿最大拉力值的峰值，保證在橋梁正常工作時各斜吊桿都在安全范圍內(nèi)， 應(yīng)該合理地調(diào)整YB8、ZB8 斜拉索的初拉力。

4 結(jié)論

本文以湖北省孝感市老澴河天仙南路橋?yàn)楣こ瘫尘埃?以結(jié)構(gòu)有限元仿真計(jì)算為基礎(chǔ)， 采用MIDAS/CIVIL 結(jié)構(gòu)有限元分析軟件建立橋梁結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算模型，對該橋梁在各個施工階段的受力狀態(tài)進(jìn)行了研究和分析，具體結(jié)論如下：

(1)針對超寬幅的橋梁結(jié)構(gòu)，由于在橋梁寬度方向位移和應(yīng)力狀態(tài)都不一樣，所以在建立有限元分析模型時， 混凝土箱梁使用梁格法進(jìn)行模擬分析，斜拉索則采用只受拉壓力的桁架單元或者索單元進(jìn)行模擬。

(2) 對于具有斜拉索的橋梁在施工過程中一般要對橋梁的斜拉索施加初拉力，斜拉索施加初拉力的同時，橋梁整體結(jié)構(gòu)就會出現(xiàn)內(nèi)力重分布，所以在施工階段要進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)控和分析，避免在施工過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)力與理論值相差較大，影響橋梁的正常使用。

(3) 在結(jié)構(gòu)有限元模型建立之后要聯(lián)系實(shí)際施工中出現(xiàn)的誤差對各參數(shù)進(jìn)行修正，避免在指導(dǎo)施工時出現(xiàn)較大誤差，影響施工的正常進(jìn)行。

(4) 在測試橋梁斜拉索內(nèi)力時要注意對斜拉索的邊界條件及斜拉索的長度進(jìn)行綜合考慮，對于短拉索采用頻率法計(jì)算得知的斜拉索內(nèi)力誤差是比較大的，所以在計(jì)算后要對其加以修正。

(5) 針對結(jié)構(gòu)有限元軟件邁達(dá)斯在不同施工階段計(jì)算的結(jié)構(gòu)具體內(nèi)力和位移進(jìn)行分析，并計(jì)算得到結(jié)構(gòu)施工各關(guān)鍵階段位移與應(yīng)力均能滿足要求。