雙塔雙索面鋼斜拉橋靜載試驗控制截面有限元分析

胡艷

摘 要：結(jié)合具體工程特色，運用有限元分析軟件Midas Civil建立有限元模型，模擬橋梁結(jié)構(gòu)的受力特點，通過有限元理論分析，保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全性，并進行橋梁載荷試驗，全面評估橋梁結(jié)構(gòu)性能及使用功能。

關(guān)鍵詞：有限元;Midas Civil;載荷試驗

1 引言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國的城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工作也在快速推進，作為城市建設(shè)重要組成部分的橋梁建設(shè)也得到相應(yīng)發(fā)展。因此，如何保證橋梁結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量與運營安全至關(guān)重要。通過有限元分析軟件Midas Civil最大限度的了解橋梁結(jié)構(gòu)特性，為橋梁載荷試驗提供相應(yīng)的理論支持。

2 例題分析

2.1 工程概況

廣西某一橋梁為雙塔雙索面鋼斜拉橋（45.00+100.00+300.00+100.00+45.00）m，主梁采用橫向分離的兩全焊扁平流線形封閉鋼箱梁，梁高3.40m，兩分離主梁中間采用橫箱連接，主梁上翼緣為正交異性板結(jié)構(gòu);索塔采用單柱式變截面獨柱索塔，塔柱采用空心薄壁圓端形截面;斜拉索采用豎琴式布置，順橋向標準間距12.00m。

設(shè)計提供主要技術(shù)標準如下：

（1）汽車荷載：城市-A級。

（2）人群荷載：人行道板的局部荷載為5kPa（均布）或1.5kN（集中）;人行道上的人群荷載為3.15kPa。人行道扶手的水平向外荷載為2.5kN/m，豎向荷載為1.2kN/m。

（3）設(shè)計速度：50km/h。

（4）主橋橋面寬度：1.00m（風嘴）+2.25m（人行道）+2.50m（非機動車道）+0.50m（波形護欄）+10.50m（行車道）+0.50m（防撞護欄）+6.50m（橫箱連接箱）+0.50m（防撞護欄）+10.50m（行車道）+0.50m（波形護欄）+2.50m（非機動車道）+2.25m（人行道）+1.00m（風嘴）=41.00m。

（5）橋面縱坡：本橋位于半徑10000m及8000m的豎曲線上，前變坡點樁號為K0+780，其前后縱坡分別為2.30%和-2.30%，后變坡點樁號為K1+095，其前后縱坡分別為-2.30%和-1.20%。

（6）橋梁平曲線：引橋處于緩和曲線及直線上，主橋處于直線上。

（7）橋面橫坡：雙向2%。

設(shè)計提供主要材料參數(shù)如下：

（1）混凝土：主橋主塔采用C50砼;主塔承臺采用C40砼;墩柱、承臺采用C30砼;橋臺前墻、背墻、耳墻、牛腿采用C30砼;橋墩及橋臺樁基采用C30砼。

（2）普通鋼筋：采用R235鋼筋（Ⅰ級鋼筋）和HRB335鋼筋（Ⅱ級鋼筋）。鋼筋技術(shù)性能應(yīng)分別符合國家標準《鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋》（GB1499.2-2008）和《鋼筋混凝土用熱軋光圓鋼筋》（GB1499.1-2008）的規(guī)定。

（3）預(yù)應(yīng)力鋼筋：采用技術(shù)性能符合《預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絞線》（GB/T5224-2003）標準的高強度低松弛7股捻制鋼絞線，公稱直徑15.20mm，抗拉強度標準值fpk=1860MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa。

（4）斜拉索：采用位于HDPE護套管內(nèi)的外包PE塑料護套并涂有油脂的單根環(huán)氧噴涂鋼絞線組成的鋼絞線束。單根鋼絞線規(guī)格直徑為15.20mm，噴涂標準直徑為16.10mm，噴涂涂層厚度0.12～0.20mm，中心絲與邊絲各鋼絲外表面均單獨形成環(huán)氧樹脂涂膜。鋼絞線抗拉強度標準值fpk=1860MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa，其各項指標均需滿足《預(yù)應(yīng)力混凝土用環(huán)氧涂層鋼絞線》（ISO14655：1999）的要求。

（5）錨具：錨具采用成品錨具及其配套設(shè)備，并符合中華人民共和國國家標準《預(yù)應(yīng)力筋用錨具、夾具和連接器》（GB/T 14370-2007）、中華人民共和國交通行業(yè)標準《公路橋梁預(yù)應(yīng)力鋼絞線用錨具、連接器試驗方法及檢驗規(guī)格》（JT 329.2-97）等技術(shù)要求。

2.2 有限元模型建立

通過Midas Civil軟件建立有限元分析模型（如圖1），模型主要由梁單元、桁架單元兩種類型單元組成，其中斜拉索采用桁架單元，其他的均采用梁單元，以便模擬其連接部位的局部受力和變形情況。全橋共1055個節(jié)點，905個單元（桁架單元88個、梁單元817個）。

斜拉索與鋼箱梁之間的連接采用彈性連接里的剛性連接，鋼箱梁與橋墩之間采用一般連接，橋墩邊界條件設(shè)置為固結(jié)。

為方便計算和建模方便，對模型采用以下假設(shè)：

（1）混凝土、鋼筋為理想彈性材料，混凝土、鋼筋的彈性模量為常數(shù);

（2）截面變形符合平截面假設(shè);

（3）不考慮橋面鋪裝及橋梁裝飾等二期荷載對橋梁抗彎、抗扭的影響。

2.3荷載選取

（1）橋梁恒載重量包括主梁自重、主梁鋼錨梁重、塔端鋼錨梁重、風嘴、能量塔、橫隔板及二期荷載重量。C50混凝土容重為26.00kN/m3;Q345容重為78.50kN/m3。

（2）橋梁活載重量為標準車輛荷載在單向4車道作用下的設(shè)計荷載（城-A級）。

（3）斜拉索力依據(jù)設(shè)計要求添加錨索張拉力荷載，斜拉索容重γ為86.45kN/m3。

2.5計算結(jié)果分析

根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力包絡(luò)圖（圖2），按照最不利受力原則，同時結(jié)合現(xiàn)場條件選取測試截面。本工程試驗跨為第5、6跨，測試截面分別為最大負彎矩C截面、最大正彎矩D、E截面。如圖3、圖4所示，并同時對斜拉索索力和能量塔塔頂水平位移進行測試。

本次以測試D截面的內(nèi)力控制為例進行等效荷載試驗即橋梁靜力載荷試驗。設(shè)計荷載作用下D截面內(nèi)力影響線如圖5所示，內(nèi)力控制加載表如表1所示，根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21-2011）中靜力荷載試驗加載效率介于0.95～1.05之間原則，本次載荷試驗加載有效。加載車輛示意圖如圖6所示。

3 結(jié)論

因此，應(yīng)根據(jù)橋梁具體的結(jié)構(gòu)特點并結(jié)合有限元軟件Midas建立有限元單元模型，對橋梁結(jié)構(gòu)進行力學計算分析，測定橋梁結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，正確分析其受力狀況，為橋梁載荷試驗提供理論支持、為橋梁運營安全性提供技術(shù)依據(jù)。

參考文獻

[1] 《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015）;

[2] 《城市橋梁設(shè)計規(guī)范》（CJJ 11-2011）;

[3] 《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362-2018）;

[4]《midas Civil在橋梁結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用》（作者：劉美蘭）人民交通出版社;

[5]《橋梁工程軟件midas Civil應(yīng)用工程實例》（作者：邱順冬）人民交通出版社。