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        某山地螺旋吊橋結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

        2022-11-24 03:58:28周祥乾
        城市道橋與防洪 2022年10期
        關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)分析

        周祥乾

        (珠海市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,廣東 珠海 519000)

        0 引 言

        山地步道作為慢行系統(tǒng)的重要組成部分,拓展了城市空間,豐富了城市體驗(yàn),受到市民的青睞。鳳凰山山地步道項(xiàng)目位于香洲區(qū)鳳凰山森林公園東南部,西接香山湖公園,東至海天公園,南依梅華路,北鄰大鏡山水庫,全長約8.6 km。項(xiàng)目周邊已建成香山湖公園、香山驛站、石溪公園、大鏡山社區(qū)體育公園、海天公園等城市公共空間,是市民重要的休閑目的地。山地步道串聯(lián)起了城市景點(diǎn),延伸了慢行空間,起到了良好的社會(huì)效益。

        1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        山地步道項(xiàng)目其中一處采用了螺旋吊橋的落地方式。螺旋吊橋主梁采用鋼箱梁結(jié)構(gòu),梁高0.7 m,標(biāo)準(zhǔn)段橋梁寬3 m,底板寬0.65 m,箱梁頂板厚14 mm,底板厚12 mm,腹板厚16 mm,箱梁內(nèi)頂?shù)装逶O(shè)置5道縱向板肋,主梁橫隔板標(biāo)準(zhǔn)間距1.5 m 布設(shè),支點(diǎn)橫隔板厚10 mm。電梯豎塔由直徑6 m 的混凝土筒體組成,高度44.5 m,螺旋吊橋共7.5 圈,中心線直徑分別為20 m 和15 m,坡度為1∶12。螺旋吊橋由水平的撐桿和斜向的拉、壓桿與中間混凝土電梯塔筒相連。為了避免人行過程中結(jié)構(gòu)沿環(huán)形切向的晃動(dòng),吊桿和撐桿采用星形布置。電梯塔筒壁厚450 mm,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40,筒身內(nèi)置型鋼勁性骨架(見圖1、圖2)。

        圖1 螺旋吊橋總體布置圖(單位:cm)

        圖2 撐桿及拉壓桿布置圖

        2 結(jié)構(gòu)縱向計(jì)算

        螺旋吊橋縱向計(jì)算可以理解為曲率較大的彎橋建立梁單元進(jìn)行分析,以下是相關(guān)計(jì)算和結(jié)果。

        2.1 計(jì)算荷載取值

        根據(jù)《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ 69—1995)、《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 11—2011)取值。

        2.1.1 永久作用

        結(jié)構(gòu)自重、鋪裝、欄桿等。

        2.1.2 可變作用

        2.1.2.1 人行荷載效應(yīng)根據(jù)《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》(CJJ 69—1995)中3.1.3.2 條計(jì)算人群荷載取值。

        2.1.2.2 整體升、降溫

        珠海平均氣溫21.8℃,極端最低氣溫-1.3℃,極端最高氣溫36.7℃。結(jié)合《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)4.3.12 條溫?zé)岬貐^(qū)剛橋面板鋼橋,最高溫度46℃,最低溫度-9℃。結(jié)構(gòu)落架基準(zhǔn)溫度約20℃,計(jì)算考慮整體升溫25℃,整體降溫-25℃。

        2.1.2.3 風(fēng)荷載

        螺旋吊橋位于山谷,考慮向上的風(fēng)吸和向下的風(fēng)壓作用。

        2.2 荷載組合

        根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)

        4.1.5 條進(jìn)行承載能力基本組合、正常使用標(biāo)準(zhǔn)組合。

        2.3 計(jì)算模型

        采用Midas Civil 2020 軟件建立三維梁單元模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,計(jì)算模型見圖3 所示。

        圖3 計(jì)算模型

        2.4 靜力計(jì)算分析

        2.4.1 應(yīng)力驗(yàn)算

        基本組合下鋼箱梁最大正應(yīng)力為81.1 MPa,上撐桿最大正應(yīng)力為141.2 MPa,下?lián)螚U最大正應(yīng)力為214.4 MPa,均小于270 MPa;上拉桿最大正應(yīng)力為199.1 MPa,小于520 MPa。滿足規(guī)范要求。

        2.4.2 變形驗(yàn)算

        在恒載、人群荷載、溫度荷載和橫風(fēng)作用標(biāo)準(zhǔn)組合下,水平方向最大變形分別為35.7 mm、31.1 mm,豎向最大變形為25.5 mm。參考《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50135—2019)3.0.11 條,水平位移角限值1/150。該結(jié)構(gòu)總高44 m,水平位移角35.7/44 000=1/1232,滿足要求。

        人群作用下,主梁最大撓度為9.6 mm,出現(xiàn)在大小環(huán)過渡處(見表1)。恒載+人群作用下,主梁最大撓度為12.7 mm,出現(xiàn)在坡道頂部(見表2)。取這兩處進(jìn)行撓度驗(yàn)算。

        表1 大小環(huán)過渡處撓度一覽表

        表2 吊橋頂部撓度一覽表

        2.4.3 頻率驗(yàn)算

        第一二階自振頻率為水平方向彎曲,分別為4.27 Hz 和4.33 Hz。第三階自振頻率為豎直方向,為7.56 Hz。滿足要求。圖4 為前三階振型。

        圖4 前三階振型

        2.4.4 屈曲驗(yàn)算

        第1 階屈曲模態(tài)臨界荷載系數(shù)為26.15>4,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定滿足要求(見圖5)。

        圖5 第1 階屈曲模態(tài)

        3 結(jié)構(gòu)橫向分析

        為了結(jié)構(gòu)有更好的人行空間和視線,采用吊桿與主梁內(nèi)側(cè)連接的方式,導(dǎo)致主梁在人群荷載作用下產(chǎn)生橫向扭矩,有傾覆的趨勢(shì),橫向分析不能忽視。

        該結(jié)構(gòu)為螺旋狀,有別于常規(guī)端部約束的直梁在扭矩作用下產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力。在均勻滿布的人群荷載作用下,主梁各個(gè)位置的扭轉(zhuǎn)變形一致,扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力不明顯。進(jìn)一步分析該結(jié)構(gòu)在橫向扭矩作用下的傾覆問題,表現(xiàn)出的是主梁橫向受彎問題。在極限荷載作用下,結(jié)構(gòu)破壞發(fā)生在受壓構(gòu)件局部失穩(wěn),進(jìn)而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)橫向傾覆,類似于上翹的帽檐在外力作用下突然下翻。

        據(jù)此,該結(jié)構(gòu)橫向扭矩作用下的傾覆問題,表征為結(jié)構(gòu)橫向受彎狀態(tài)下的受壓部位失穩(wěn)問題;減小該結(jié)構(gòu)橫向扭矩作用下的傾覆問題的關(guān)鍵在于增強(qiáng)橫向剛度,如設(shè)置橫隔板。

        為了進(jìn)一步了解橫隔板數(shù)量對(duì)結(jié)構(gòu)橫向抗傾覆的影響,建立三維板單元模型進(jìn)行對(duì)比分析(見圖6)。表3 為橫向受力與橫隔板數(shù)量關(guān)系一覽表。圖7為不同橫隔板數(shù)量下主梁應(yīng)力圖示。

        圖7 不同橫隔板數(shù)量下主梁應(yīng)力圖示

        表3 橫向受力與橫隔板數(shù)量關(guān)系一覽表

        圖6 三維板單元模型

        根據(jù)計(jì)算結(jié)果,隨著橫隔板數(shù)量的增加,外側(cè)最大豎向位移減小,屈曲臨界荷載系數(shù)增大,結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性增強(qiáng)。當(dāng)不設(shè)置橫隔板時(shí),最大最小應(yīng)力為57.7/-54.9 MPa,當(dāng)設(shè)置4 道橫隔板時(shí),由于橫隔板數(shù)量較少,出現(xiàn)加大的應(yīng)力集中現(xiàn)象,最大最小應(yīng)力為87.2/-108.5 MPa。隨著橫隔板數(shù)量的增加,應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸減小,當(dāng)橫隔板數(shù)量由8 道增加至16道時(shí),最大最小應(yīng)力為變化不大趨于穩(wěn)定,且主梁受力較均勻。據(jù)此,該結(jié)構(gòu)設(shè)置16 道橫隔板結(jié)構(gòu)橫向受力相對(duì)理想。

        4 結(jié) 語

        螺旋吊橋結(jié)構(gòu)新穎、曲率較大,結(jié)構(gòu)計(jì)算與一般的吊索橋梁結(jié)構(gòu)有所區(qū)別。通過建立三維單元模型對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行縱向分析,同時(shí)為了解決橫向扭矩作用下的傾覆問題,采用三維板單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬和對(duì)比分析,最終確定合理的橫隔板數(shù)量。為該類式螺旋吊橋結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算提供參考。

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