雁鹽黃河大橋結(jié)構(gòu)分析

曹會(huì)蘭 梁 艷

(1.中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100070； 2.河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050035)

雁鹽黃河大橋結(jié)構(gòu)分析

曹會(huì)蘭1梁 艷2

(1.中冶京誠工程技術(shù)有限公司，北京 100070； 2.河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050035)

對(duì)雁鹽黃河大橋成橋狀態(tài)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，并采用SAP有限元分析程序，利用虛功原理方法計(jì)算了主拱肋及副拱肋控制截面的內(nèi)力影響面，繪制了主拱控制截面的內(nèi)力包絡(luò)圖，同時(shí)在橋梁橫向計(jì)算中考慮橫向預(yù)應(yīng)力及人群活載的效應(yīng)，對(duì)主橋控制截面進(jìn)行了成橋狀態(tài)各種分析和驗(yàn)算，以供參考。

鋼管混凝土拱橋，有限元，內(nèi)力分析，虛功原理

1 成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)靜力分析

1.1 全橋結(jié)構(gòu)分析有限元模型的建立

1)全橋結(jié)點(diǎn)、單元?jiǎng)澐旨白鴺?biāo)計(jì)算。本橋采用靜、動(dòng)力有限元結(jié)構(gòu)分析程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。主拱肋采用三維梁?jiǎn)卧M，吊桿和系梁采用三維桿單元模擬，系梁的初張力按單元降溫模擬。全橋共劃分了704個(gè)節(jié)點(diǎn)、981個(gè)單元(見圖1)。

2)單元特性計(jì)算。毛截面幾何特性是計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形的前提。本橋采用AutoCAD中面域/質(zhì)量特性計(jì)算出各單個(gè)截面的毛截面幾何特性，然后將鋼截面換算成混凝土截面。

1.2 結(jié)構(gòu)自重與二期恒載計(jì)算

橫梁計(jì)入預(yù)制槽形板后的恒載集度即為結(jié)構(gòu)自重(也稱為一期恒載自重)。

二期恒載集度為橋面鋪裝與護(hù)欄恒載集度之和。本橋的二期恒載取值為82 kN/m。

1.3 全橋結(jié)構(gòu)活載計(jì)算

汽車荷載由車道荷載和車輛荷載組成。車道荷載由均布荷載和集中荷載組成。橋梁結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算采用車道荷載；橋梁的橫向計(jì)算采用車輛荷載。

1)本橋采用四車道，車道折減系數(shù)為：ξ=0.67。本橋采用公路Ⅰ級(jí)車道荷載，均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為qk=10.5 kN/m，pk=360 kN。由杠桿原理并考慮車道折減系數(shù)，可以得出各縱梁所承擔(dān)的荷載：

F1=312.480 0 kN，F(xiàn)2=482.40 kN，F(xiàn)3=169.920 0 kN，q1=9.114 0 kN/m，q2=14.07 kN/m，q3=4.956 0 kN/m。

2)主拱控制截面內(nèi)力影響面計(jì)算及其加載。

計(jì)算各截面可變荷載內(nèi)力以繪制影響面為主，可以采用靜力法或機(jī)動(dòng)法(利用虛功原理)繪制影響面。影響面的圖形也可通過施加一組節(jié)點(diǎn)荷載即可得到指定截面的內(nèi)力影響面(見圖2)。

在主梁活載內(nèi)力影響面上的最不利荷載工況上動(dòng)態(tài)加載可求得活載最大內(nèi)力Sp。

3)內(nèi)力結(jié)果整理與分析。

恒載及車道荷載在各控制截面產(chǎn)生的內(nèi)力見表1。

表1 恒載及車道荷載在各控制截面產(chǎn)生的內(nèi)力

4)橋墩影響面計(jì)算及其加載。

橋墩影響面采用機(jī)動(dòng)法繪制。機(jī)動(dòng)法作影響面的依據(jù)是理論力學(xué)中所講過的虛位移原理，即剛體體系在力系作用下處于平衡的必要和充分的條件是：在任何微小的虛位移中，力系所作的虛功總和為零。欲作某一反力或內(nèi)力X的影響面，只需將與X相應(yīng)的聯(lián)系去掉，并使所得體系沿X的正方向發(fā)生單位位移，則由此得到的荷載作用點(diǎn)的豎向位移圖即代表X的影響面。這種作影響面的方法便稱為機(jī)動(dòng)法。繪制影響面的目的是為了利用它來確定實(shí)際移動(dòng)荷載對(duì)于某一量值的最不利位置，從而求出該量值的最大值。恒載及車道荷載在墩控制截面產(chǎn)生的內(nèi)力見表2。

表2 恒載及車道荷載在墩控制截面產(chǎn)生的內(nèi)力 kN

1.4 主拱控制斷面內(nèi)力組合

結(jié)構(gòu)計(jì)算中，通常需要求出在恒載和活載共同作用下，各截面的最大、最小內(nèi)力，以此作為設(shè)計(jì)或檢算的依據(jù)。聯(lián)結(jié)各截面的最大、最小內(nèi)力的圖形，稱為內(nèi)力包絡(luò)圖。

1)內(nèi)力組合見表3。

表3 內(nèi)力組合

2)內(nèi)力包絡(luò)圖繪制見圖3,圖4。

2 橋面橫梁應(yīng)力分析

2.1 橫梁有限元模型的建立

首先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)、單元?jiǎng)澐忠约白鴺?biāo)計(jì)算，給定典型構(gòu)件的單元特性，建立了橫梁平面模型。在橫梁計(jì)算中，考慮了橫向預(yù)應(yīng)力及人群活載的效應(yīng)。

1)預(yù)應(yīng)力計(jì)算。

預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件在正常使用極限狀態(tài)計(jì)算中，預(yù)應(yīng)力損失包括：預(yù)應(yīng)力鋼筋與管道壁之間的摩擦σl1(后張法)；錨具變形、鋼筋回縮和接縫壓縮σl2；預(yù)應(yīng)力鋼筋與臺(tái)座之間的溫差σl3(先張法)；混凝土的彈性壓縮σl4；預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力松弛σl5；混凝土的收縮和徐變?chǔ)襩6。扣除預(yù)應(yīng)力損失之后的有效預(yù)應(yīng)力值σcon-σ損失應(yīng)滿足：0.55fptk≤σ有效≤0.65fptk。

本橋預(yù)應(yīng)力鋼筋采用后張法7根φ5或7根φ4鋼絞線,fptk=1 860 MPa，σcon=0.75fptk，為了簡(jiǎn)便計(jì)算取σ有效=0.57fptk=1 060.2 MPa。

2)恒載、汽車及人群荷載在各控制斷面產(chǎn)生的內(nèi)力結(jié)果見表4。

2.2 橫梁最不利荷載工況計(jì)算

表4 恒載、汽車及人群荷載在各控制斷面產(chǎn)生的內(nèi)力結(jié)果

3 承載能力極限狀態(tài)計(jì)算

1)主拱典型斷面正截面承載能力驗(yàn)算(L/4，L/2)。

邊拱正截面承載能力為：φfscAsc=8.091 94×104kN，荷載組合作用下產(chǎn)生的最大內(nèi)力值為：Nmax=15 732.6 kN<φfscAsc；中拱正截面承載能力為：φfscAse=8.091 94×104kN，荷載組合作用下產(chǎn)生的最大內(nèi)力值為：Nmax=26 459.4<φfscAsc。結(jié)果表明：驗(yàn)算均滿足要求。

2)橋墩基礎(chǔ)承載能力驗(yàn)算。

單樁承載力[P]=9 132.94 kN，經(jīng)過荷載組合：邊墩：P=6 557.44 kN<[P]，中墩：P=8 690.27 kN<[P]。

4 橋梁結(jié)構(gòu)撓度驗(yàn)算

1)縱梁撓度驗(yàn)算。

中跨縱向撓度：

邊跨縱向撓度：

2)橫梁撓度驗(yàn)算。

橫向撓度：

[1] 康谷貽.混凝土設(shè)計(jì)原理[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.

[2]JTGD60-2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[3]JTGD62-2004，公路鋼筋混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

Structure analysis of Yanyan Huanghe bridge

CAO Hui-lan1LIANG Yan2

(1.CapitalEngineeringandResearchIncorporationLimited,Beijing100070,China;2.HebeiJiaotongVocational&TechnicalCollege，Shijiazhuang050035,China)

This thesis is to analyse the frame which is directed at the Yanyan Huanghe bridge. SAP is used to calculate the internal force influence field of main and sub arch ribs’ critical section by way of utilizing finite element analysis program and principle of virtual work. The inner force envelope was drew. In the calculation of cross section, the effect of cross prestress and pedestrian load were considered, and various sorts of analysis and checking of existing state were done, for reference.

concrete filled steel tube arch bridge， finite element， internal force analysis， principle of vitual work

1009-6825(2014)22-0185-02

2014-04-26

曹會(huì)蘭(1982- )，女，博士，工程師; 梁 艷(1982- )，女，講師

U448.225

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