部分斜拉橋空間桿系結(jié)構(gòu)靜力分析

覃巍巍 宋強(qiáng) 陳曉 鄒全

摘 要：部分斜拉橋是由多根斜拉索、塔、梁和墩通過(guò)桿件相互聯(lián)結(jié)共同組成的空間桿系結(jié)構(gòu)，本文通過(guò)某橋墩達(dá)156.6m的獨(dú)塔單索面部分斜拉橋空間桿系結(jié)構(gòu)的研究，利用通用有限元分析程序ANSYS建立空間桿系結(jié)構(gòu)計(jì)算模型， 準(zhǔn)確分析成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)橫向受約束時(shí)的內(nèi)力和位移情況。根據(jù)該橋最不利的橫向載荷工況，對(duì)該橋空間桿件結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力載荷分析，進(jìn)一步驗(yàn)證該部分斜拉橋空間桿系結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性是安全可靠，并得出相應(yīng)的結(jié)論和該橋塔的抗震能力方面的建議。

關(guān)鍵詞：部分斜拉橋、空間桿系結(jié)構(gòu)、靜力載荷

中圖分類號(hào)：U443 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）01（b）-0000-00

一、概述

某部分斜拉橋的推薦方案為2×123m獨(dú)塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土方案，全跨長(zhǎng)246m。斜拉索在塔上以索鞍的形式連續(xù)通過(guò)，梁段錨固在主梁中間箱室內(nèi)。采用塔、梁、墩固結(jié)體系。橋墩外壁為正八邊形截面，橋墩高156.6m。為了高墩穩(wěn)定需要，橋墩沿墩身縱橫向同比例向下放大，經(jīng)過(guò)仔細(xì)比選，確定采用墩頂內(nèi)切圓直徑10m，墩底內(nèi)切圓直徑16m，內(nèi)壁為圓形截面，壁厚0.9m，墩身外廓線為二次拋物線的橋墩形式。由于QJX等平面桿系結(jié)構(gòu)分析程序較難準(zhǔn)確分析成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)橫向受約束時(shí)的內(nèi)力和位移情況，這里對(duì)大橋橫向荷載最不利組合——組合1：恒載+汽—超20級(jí)+橫向風(fēng)+溫度（橫向最不利情況）——建立空間桿系結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行靜力分析計(jì)算，以得到較準(zhǔn)確的分析結(jié)果。

二、計(jì)算模型及結(jié)果

部分斜拉橋的空間桿系結(jié)構(gòu)的極限承載力分析一直以來(lái)都利用有限元進(jìn)行分析，利用通用有限元分析程序ANSYS建立空間桿系結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，并進(jìn)行靜力分析。采用Beam188單元（三維線性有限應(yīng)變梁?jiǎn)卧┙⒎侄巫兘孛婺Ｐ湍M結(jié)構(gòu)，單元的劃分主要根據(jù)懸臂施工階段進(jìn)行，單元長(zhǎng)度基本在2～4m間，采用Link10單元（只承拉或只承壓的桿單元）模擬斜拉索，采用Mass21單元（結(jié)構(gòu)質(zhì)量單元）模姒橫隔板和二期恒載的質(zhì)量。全橋共劃分193個(gè)單元（不包括質(zhì)量單元），195個(gè)節(jié)點(diǎn)[1]。其中，索在主梁上的錨固按其實(shí)際位置模擬，錨固點(diǎn)與主梁頂板節(jié)點(diǎn)之間的連接用剛臂模擬；二期恒載按單元附加質(zhì)量處理，以便較好的模擬結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布；墩底為完全固結(jié)；兩端橋臺(tái)處考慮施加豎向和橫向線位移約束及繞主梁軸線的扭轉(zhuǎn)約束。

橋墩外廓線符合拋物線形式：x=3 x（y/156.6）2+5。其中，坐標(biāo)原點(diǎn)為橋墩上底面的形心，x軸沿主梁縱向；y軸沿豎向，向下為正。

此外，主梁、橋塔和橋墩都采用C50號(hào)混凝土，材料參數(shù)為：彈性模量E=3.50E+6t/m2

密度p=2.6t/m3，泊松比μ，=0.16667。

斜拉索采用索鞍形式穿過(guò)橋塔，鋼索材料選用37-7 Ф5，索重81. 548kg/m，面積為0. 01036m2，泊松比μ=0.3[2]。

結(jié)構(gòu)在荷載組合1的最不利情況下的受力形式如下圖：

組合1：恒載+汽一超20級(jí)+橫向風(fēng)+溫度（橫向最不利情況）

主要截面的內(nèi)力和應(yīng)力分布情況列于下表中。其中，橋墩最大壓應(yīng)力發(fā)生在1/2墩高附近高90米處，最大應(yīng)力值為9.884MPa；主梁最大拉壓應(yīng)力均發(fā)生在主梁根部附近距橋墩、塔中心線7.5米處，最大拉應(yīng)力值為6.940MPa，最大壓應(yīng)力值為11.11MPa[3]。這些應(yīng)力都在結(jié)構(gòu)的容許應(yīng)力范圍 在組合1的最不利情況下結(jié)構(gòu)的位移分別為：主梁和墩頂橫向位移0.0266米，塔定橫向位移0.0405米，它對(duì)行車舒適度的影響很小。

三、結(jié)論及建議

1、分析表明，推薦方案在組合1的橫向最不利荷載作用下截面應(yīng)力滿足截面強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求。其中，橋墩最大應(yīng)力出現(xiàn)在1/2墩高附近，主梁最大拉壓應(yīng)力均出現(xiàn)在主梁根部附近。

2、建議在施工圖詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合抗震分析和穩(wěn)定性分析進(jìn)一步優(yōu)化橋墩的截面形式和尺寸。確保結(jié)構(gòu)在滿足穩(wěn)定性和靜力合理受力狀態(tài)的要求，并具有較好的抗震能力的條件下，達(dá)到最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式。

參考文獻(xiàn)

[1] 戴公連.李德建 橋梁結(jié)構(gòu)空間分析設(shè)計(jì)方法與應(yīng)用[M]. 北京：人民交通出版社，2001.

[2] .G. Fei， A. Q. Li， Dynamic Finite Element Model Updating Using Meta-Model and Genetic Algorithm [J]. Journal of Southeast University （English Edition）， 2006， 22（2）：213-217

[3] 葛俊穎.王立友 基于ANSYS的橋梁結(jié)構(gòu)分析[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2007：18-20