□文/狄 嫻

南水北調(diào)應(yīng)急段生產(chǎn)橋上部結(jié)構(gòu)整體計算分析

□文/狄 嫻

南水北調(diào)應(yīng)急段生產(chǎn)橋結(jié)構(gòu)為下承式系桿拱橋，橋梁跨度大、寬度窄，拱結(jié)構(gòu)高，受力情況較特殊。文章利用軟件建立空間有限元模型，對橋梁整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析，從橋梁整體強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性各方面進(jìn)行驗(yàn)算并分析計算結(jié)果，使其符合相關(guān)規(guī)范要求，為設(shè)計工作提供依據(jù)。

下承式；系桿拱橋；位移；屈曲分析

南水北調(diào)應(yīng)急段生產(chǎn)橋梁之一，跨越南水北調(diào)河渠，由于是生產(chǎn)橋，豎向活載基本由小型生產(chǎn)機(jī)具產(chǎn)生，載荷較小，但橋梁跨度大、寬度窄，拱結(jié)構(gòu)高，受風(fēng)載荷影響大，橫向受力影響可能大于豎向活載影響，情況較特殊。利用軟件建立空間有限元模型，對橋梁整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析，為施工圖設(shè)計提供指導(dǎo)依據(jù)，進(jìn)而達(dá)到使施工圖更合理更優(yōu)化。

1 工程概況

本橋結(jié)構(gòu)為下承式系桿拱橋，全長85m，全寬6.8 m，行車道凈寬4.5m，拱高17m。橋面系由混凝土縱橫梁與混凝土橋面板構(gòu)成，拱肋為2道混凝土箱形拱?？v橋向吊桿間距5m，全橋32根吊桿，兩拱間共設(shè)6根風(fēng)撐。

橋面設(shè)置2道縱梁，截面為1.15m×0.75m，每根縱梁內(nèi)設(shè)置2根系桿與拱肋連接，每根系桿由27根無粘結(jié)環(huán)氧噴涂預(yù)應(yīng)力鋼絞線UPS15E組成。由于橋梁橫向相對較窄，將防撞護(hù)欄與縱梁澆筑成一體，增強(qiáng)構(gòu)件的受力性能。為減輕重量，2道拱肋設(shè)計為中空的箱形截面，截面尺寸為1.4m×0.8m，腹板厚0.15m，頂?shù)装搴?.2m。風(fēng)撐截面為1m×0.6m。吊桿采用PES(FD)7-19低應(yīng)力防腐索體。具體橋梁布置圖1。

圖1 橋梁布置

2 基本設(shè)計資料

2.1 載荷標(biāo)準(zhǔn)

車道載荷公路－Ⅱ級；風(fēng)載荷按當(dāng)?shù)鼗撅L(fēng)速及風(fēng)壓，拱結(jié)構(gòu)風(fēng)力1.5kN/m2，縱梁2kN/m2；主梁的上下緣正溫差為16.4℃，負(fù)溫差為8.2℃；橋梁整體升溫34℃，整體降溫10℃。

2.2 材料性能

1）系桿。預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用φs15.20mm高強(qiáng)低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度fpk=1860MPa，E=1.95×105MPa。

2）吊桿。采用平行鋼絲束，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度1670MPa。

3 計算過程

3.1 結(jié)構(gòu)簡化

拱肋結(jié)構(gòu)、拱間風(fēng)撐及橋面系均模擬為梁單元，為保證拱結(jié)構(gòu)連續(xù)性，未模擬拱內(nèi)實(shí)體隔板，實(shí)體隔板重量作為節(jié)點(diǎn)載荷加在拱上。橋面系模擬為縱橫梁結(jié)構(gòu)，橋面板的重量及鋪裝重量作為梁單元載荷加在虛梁上。

縱梁上防撞護(hù)欄重量作為梁單元載荷加在縱梁上，吊桿及縱梁內(nèi)系桿模擬為只受拉的桁架單元。

3.2 邊界條件

支座模擬為1個固定支座，1個約束橫橋向位移的單向支座，2兩個雙向支座，見圖2和圖3。

圖2 空間有限元模型

圖3 邊界約束

3.3 輸出結(jié)果

個別構(gòu)件部位風(fēng)載荷所引起的結(jié)構(gòu)效應(yīng)已超過汽車載荷成為主導(dǎo)效應(yīng)，因此承載極限組合分為以風(fēng)載荷為主的承載極限組合1及以汽車載荷為主的承載極限組合2，取其最不利工況，見表1和表2。

表1 承載極限組合1

表2 承載極限組合2

正常使用中的短期和長期效應(yīng)，按JTGD60—2004《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》相關(guān)規(guī)定取用。

1）支座反力。標(biāo)準(zhǔn)組合反力見圖4和圖5。

圖4 豎向反力

圖5 橫向反力

2）各構(gòu)件內(nèi)力。以拱肋為例，承載極限內(nèi)力見圖6-圖9。

圖6 承載極限組合彎矩My

圖7 承載極限組合彎矩Mz

圖8 承載極限組合扭矩Mx

圖9 承載極限組合剪力Fz

其他各部位承載極限組合內(nèi)力值見表3。

表3 橋梁其他構(gòu)件內(nèi)力

根據(jù)以上反力內(nèi)力值，進(jìn)行各構(gòu)件截面配筋及強(qiáng)度驗(yàn)算，滿足規(guī)范要求即可。

3）吊桿拉力。不同工況下吊桿拉力見圖10和圖11。

圖10 吊桿標(biāo)準(zhǔn)組合最大拉力

圖11 吊桿標(biāo)準(zhǔn)組合最小拉力

根據(jù)彈性組合情況，吊桿最大應(yīng)力364MPa，安全系數(shù)為4.5，內(nèi)力幅為82kN，應(yīng)力幅為112MPa，小于規(guī)范規(guī)定的200MPa，滿足要求。

4）位移結(jié)果。不同工況下橋梁位移見圖12和圖13。

圖12 成橋狀態(tài)豎向位移

圖13 活載工況豎向位移

活載作用下最大豎向位移為49mm，小于規(guī)范L/400=212.5（mm），滿足規(guī)范要求。

5）屈曲分析。橋梁各階曲屈變形及安全系數(shù)見圖14-圖 16。

圖14 一階屈曲安全系數(shù)

圖15 二階屈曲安全系數(shù)

圖16 三階屈曲安全系數(shù)

一階屈曲安全系數(shù)為187，遠(yuǎn)大于4，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

4 結(jié)論

由上述結(jié)果可知，主橋整體上部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性均滿足相關(guān)規(guī)范要求。各構(gòu)件可根據(jù)相關(guān)計算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計，使其滿足相關(guān)規(guī)范要求即可。

U442

C

1008-3197（2014）02-54-03

10.3969/j.issn.1008-3197.2014.02.022

2013-11-06

狄 嫻/女，1980年出生，工程師，天津市市政工程設(shè)計研究院賽英工程建設(shè)咨詢管理有限公司，從事橋梁設(shè)計工作。