混凝土自錨式懸索橋靜力特性分析

黃斌勇 邵 敏

自錨式懸索橋是高次超靜定結(jié)構(gòu)體系,它不僅具有傳統(tǒng)懸索橋的力學(xué)特征,而且由于主梁受到巨大的軸向壓力,主梁存在著壓彎效應(yīng),使得其幾何非線性更為嚴(yán)重,在各種外荷載作用下,自錨式懸索橋的受力性能是決定懸索橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要根據(jù),因此對自錨式懸索橋的成橋狀態(tài)進(jìn)行靜力性能分析非常必要。

本文以位于浙江省的某混凝土自錨式懸索橋?qū)崢驗(yàn)槔?進(jìn)行該橋的力學(xué)性能研究。該橋主橋跨徑布置為40 m+118 m+40 m,全長198 m,寬 24 m。該橋梁設(shè)計(jì)荷載等級為城—A級,人群4 kN/m2,設(shè)計(jì)車速為 30 km/h,橋面布置為 3.0(人行道)+2.0(索面及綠化)+14.0(行車道)+2.0(索面及綠化)+3.0(人行道)=24.0 m。

1 Midas有限元模型建立

1.1 計(jì)算模型

本文計(jì)算模型基于有限位移理論,用Midas/Civil軟件建立三維有限元模型。結(jié)合考慮自錨式懸索橋的幾何非線性影響。根據(jù)各個(gè)橋梁構(gòu)件的形式和受力特點(diǎn),建模過程中,共采用了三種單元：空間梁單元、索單元和板單元。計(jì)算模型中共包含1 038個(gè)節(jié)點(diǎn)和2 000個(gè)單元,見圖1。

1.2 大橋各部分的有限元模擬

纜和吊索采用索單元,索塔、加勁梁和橫梁采用梁單元,橋面板采用板單元。結(jié)構(gòu)的約束條件是：主塔塔底為固結(jié),主纜在塔頂與主塔的連接按剛性連接考慮,加勁梁梁端根據(jù)實(shí)際支座布置形式,確定主梁約束情況;加勁梁在主塔處設(shè)置的約束,也以實(shí)際支座布置情況設(shè)置主從約束。

2 實(shí)橋靜力特性分析

2.1 恒載效應(yīng)分析

恒載效應(yīng)計(jì)算分析中,混凝土容重為26 kN/m3,二期恒載包括橋面鋪裝、防撞墻、人行道欄桿以及人行道鋪裝等荷載,通過面荷載施加在橋面板上,2 kN/m2。

根據(jù)以上建立的模型,計(jì)算分析自錨式懸索橋在成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)恒載作用下的加勁梁、主纜、吊桿、索塔等構(gòu)件內(nèi)力及應(yīng)力。

在恒載作用下,橋梁結(jié)構(gòu)的變形較小,最大豎向變形發(fā)生在主跨跨中,為7.0 cm,最大縱向位移發(fā)生在塔頂,為 2.0 cm。

圖2為主梁在恒載作用下的應(yīng)力圖?？梢?加勁梁應(yīng)力比較均勻,上緣基本受壓,上緣最大壓應(yīng)力在主跨跨中,為4.4 MPa;下緣在跨中出現(xiàn)了0.4 MPa的拉應(yīng)力,最大壓應(yīng)力為10.8 MPa,為靠近塔柱處。加勁梁的應(yīng)力均在合理范圍內(nèi)。

橋塔在恒載作用下,基本處于中心受壓狀態(tài),主塔最大壓應(yīng)力為-10.1 MPa,位置在上塔柱與下橫梁相交處,滿足規(guī)范要求。

主纜在恒載作用下,應(yīng)力在214.1 MPa～259.7 MPa之間,應(yīng)力均勻且均在合理范圍內(nèi)。恒載作用下,吊桿應(yīng)力在149.2 MPa～196.7 MPa之間。

通過以上計(jì)算分析可知,在恒載作用下,自錨式懸索橋的位移較小,加勁梁的應(yīng)力、主纜以及吊索的應(yīng)力均勻,均滿足要求。

2.2 活載效應(yīng)分析

全橋根據(jù)設(shè)計(jì)布置為機(jī)動(dòng)車道四車道(雙向),人行道二車道(每側(cè)一道)。在有限元分析中考慮偏載布置機(jī)動(dòng)車道,人行道按照滿布行人來考慮。實(shí)際計(jì)算時(shí)按照四(機(jī)動(dòng)車道)+二(人行道)=六車道來布置。

車輛荷載取值：城市—A級,根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行橫向汽車荷載多車道加載。人群荷載取值按照CJJ 11-93城市橋梁設(shè)計(jì)準(zhǔn)則取值,最不利組合為四車道(折減)+二人行道荷載。

從圖3中可以看出,活載作用下主跨加勁梁跨中豎向最大下?lián)蠟?5 mm,參考《公路懸索橋設(shè)計(jì)規(guī)范》(送審稿)中390 mm的要求(L/300,L為跨度,本橋中跨為118 m),主跨結(jié)構(gòu)滿足撓度要求;縱向最大位移為橋塔頂部,為11 mm。

車道、人群荷載作用下,加勁梁的最大彎矩與最大軸力均出現(xiàn)在主跨約1/4處,約為1 800 kN?m和 2 200 kN?；钶d作用下橋塔最大彎矩出現(xiàn)在橋塔根部,約 5 600 kN?m。

橋梁使用階段,主纜和吊索產(chǎn)生的拉應(yīng)力均勻且值不大,主纜和吊索受力狀況良好。

在最不利活載的作用下,邊跨支座出現(xiàn)了負(fù)反力,因此需要對邊跨端部進(jìn)行壓重。

[1]杭州市城建設(shè)計(jì)研究院.江山市北關(guān)大橋工程擴(kuò)大初步設(shè)計(jì)[R].2003.

[2]Midas/Civil用戶手冊[Z].北京：北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司,2003.