盧元剛, 王勝男

(1.安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088;2.安徽六安飛宇建設工程有限公司 合肥分公司，安徽 合肥 230088)

獨塔自錨式懸索橋BNLAS結構分析

盧元剛1, 王勝男2

(1.安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088;2.安徽六安飛宇建設工程有限公司 合肥分公司，安徽 合肥 230088)

自錨式懸索橋以其美觀的外形、良好的適應性和適中的經濟指標等優(yōu)點,在城市橋梁的建設中,已經成為一種頗具競爭力的橋型方案而被大量地采用。論文以阜陽潁柳路泉河大橋設計方案為例,采用BNLAS非線性空間分析程序，探討分析自錨式懸索橋的成橋線形調整、靜力行為問題,得到了較為合理的主纜及吊桿的索力，驗算恒載和正常使用階段主纜、吊桿、主梁內力、應力及撓度，驗算結構設計合理性。

自錨式懸索橋；BNLAS；靜力分析；橋梁設計；內力；撓度

1 工程概況

本文依托阜陽潁柳路泉河大橋，項目位于阜陽城區(qū)西部，位于泉河水系景觀“西湖文化景區(qū)”和祥源·潁淮生態(tài)文化旅游區(qū)。潁柳路泉河大橋跨越泉河，規(guī)劃航道等級為Ⅳ級航道，采用單孔雙向通航。橋梁方案選擇上，結合道路功能定位、經濟合理的基礎上，考慮景觀需求，同時應融入文化歷史元素，體現潁州深厚的文化底蘊。設計出既經濟合理又造型優(yōu)美，體現地方文化特征的橋梁方案(圖1)，力求成為生態(tài)文化區(qū)的門戶，成為一個地標性建筑[1]。

圖1 潁柳路泉河大橋效果圖

主橋跨徑布置為22 m+82 m+115 m+22 m，主橋全長241 m，為獨塔自錨式懸索橋。通航孔由主橋115 m的主跨跨越。橋型布置如圖2所示。

圖2 主橋總體布置圖

2 主橋結構形式及設計要點

本橋結構體系為塔梁分離半漂浮體系，鋼縱梁通過支座支撐在主塔下塔柱橫梁上，同時設置橫向限位構造，主梁與主塔受力明確。

2.1 索塔設計

索塔設計考慮結構受力同時體現景觀需求，采用類似牌坊、門樓設計風格，融入潁州文化元素。索塔橫橋向布置兩根塔柱，在塔柱兩側各設置一個副塔，兩主塔之間，主塔和副塔間設置下橫梁。索塔塔高(自承臺頂往上，含塔頂裝飾)67 m，其中橋面以上塔身高為46.0 m(圖3)。

圖3 索塔一般構造

2.2 主梁設計

主梁采用鋼-混凝土混合梁結構，82 m副跨、115 m主跨采用鋼箱梁結構，22 m邊跨采用混凝土箱梁，鋼混結合段設置與82 m、115 m跨徑內。箱梁梁高均為2.75 m，梁寬43.5 m[2]。

鋼箱梁主梁采用雙邊箱全焊鋼箱梁，材料為Q345qD，主梁斷面如圖4所示。

圖4 主跨鋼箱梁斷面(非吊桿位置處)

混凝土箱梁為雙邊箱，頂板厚28 cm，,底板及腹板厚度均為35 cm，翼緣4.0 m?；炷吝吙鐢嗝嫒鐖D5所示。

圖5 混凝土邊跨斷面圖

2.3 主纜設計

主纜(圖6)為兩跨不對稱空間線形，主跨主纜理論跨徑110 m，主纜線形為分段懸鏈線。理論矢高8.80 m，矢跨比1∶12.5，邊跨主纜理論跨徑77 m，跨中垂度4.448 m。每根主纜采用37 根通長索股。每根索股由91絲5.4 mm的高強鍍鋅平行鋼絲組成，鋼絲標準強度為1 670 MPa。主纜錨固在邊跨混凝土加勁梁上[3-4]。

圖6 主纜截面圖

3 主橋結構計算程序及參數

3.1 計算程序

本設計的結構整體計算對結構的靜力特性進行計算分析，計算采用西南交通大學的BNLAS軟件進行空間靜力特性分析[5-6]。

BNLAS是 Bridge NonLiner Anlysis System的簡稱，中文名稱為：橋梁非線性分析系統(tǒng)。

該系統(tǒng)采用的非線性有限元理論，以改進的增量迭代法為非線性迭代格式，以不平衡力和相對位移誤差的無限范數作為迭代收斂檢查準則，考慮空間單元的大位移、大轉動影響，采用高精度的方法計算單元的內力及變形。軟件按施工步驟自動形成各階段的計算圖式，適用于任何橋梁結構的計算，尤其是纜索承重橋梁——懸索橋的計算具有明顯的優(yōu)勢[7]。

3.2 主要材料參數

(1) 主梁鋼材：主梁鋼結構主要采用Q345qD、Q370qD鋼材，部分附屬結構采用Q235B鋼材。鋼材性能指標,見表1所列。

表1 鋼材性能指標表

(2) 主纜及吊桿平行鋼絲。主纜采用Φ5 mm高強鍍鋅鋼絲、吊桿采用Φ7 mm高強鍍鋅鋼絲，其主要力學性能見表2所 。

表2 高強平行鋼絲材料性能表

(3) 剛性吊桿：靠近主跨錨塊處的N19根吊桿采用直徑120 mm剛性吊桿，材料選用鍍鋅40CrNiMoA鋼。具體性能力學指標如表3所列。

表3 40CrNiMoA剛性吊桿材料性能表

3.3 設計荷載

設計荷載考慮一期恒載、二期恒載、支座沉降、汽車荷載及其汽車沖擊力、人群荷載、汽車制動力、溫度荷載、風荷載。

3.4 施工階段劃分

按施工步驟劃分施工階段，模擬主塔施工、主梁施工到成橋的主要施工過程。計算步驟如下[8]：

橋塔柱的施工——按設計圖給定的橋塔柱施工過程進行分析；

在支架上澆筑混凝土梁段和鋼混結合梁段；

張拉混凝土梁段的預應力；

除合龍段以外的加勁梁頂推施工到位；

主纜的架設與安裝——主纜施工過程分析；

安裝吊索，形成成橋結構一期恒載狀態(tài)；

拆除臨時施工支架；

橋面鋪裝，成橋結構狀態(tài)計算；

活載作用效應的分析——荷載組合。

4 主橋主要計算結果

4.1 恒載狀態(tài)下主要計算結果

(1) 恒載下主纜單元水平分力。主纜成橋狀態(tài)下各單元各端點的水平分力為24 993.88 kN。由于計算時主纜采用的是懸鏈線單元，主纜單元兩端的張力并不完全相等。

(2) 恒載下吊索力。根據設計圖的自重和預應力狀態(tài)，為達到設計的加勁梁與主纜線形，成橋時的吊索力如表4所列。

表4 成橋恒載下吊桿力 kN

(3) 恒載下加勁梁的內力及應力計算結果[9]。在恒載下，不考慮混凝土邊跨預應力等作用后，按擬定的施工過程模擬計算得到的成橋狀態(tài)內力如圖7、圖8所示。

從計算結果可見，鋼箱梁梁上恒載作用下軸力均勻為49 400 kN，鋼箱梁最大負彎矩為2 745.7 kN·m，最大正彎矩為11 930 kN·m，出現在鋼混結段周圍。一般梁段恒載彎矩比較小，有吊索的地方出現反彎矩，吊索之間為正彎矩。

根據恒載內力，按設計截面計算的結構恒載應力如圖9所示。在恒載下，加勁梁上鋼混結合的過渡段應力最大該梁段的最大壓應力為36.45 MPa，最小壓應力為0.839 MPa。根據以上結果可見，恒載下結構內的應力分布比較均勻合理。

圖7 恒載下主梁軸力圖

圖8 恒載下鋼主梁彎矩圖

圖9 恒載下鋼主梁應力圖

4.2 正常使用荷載組合狀態(tài)下主要計算結果

加勁梁采用鋼結構，目前橋梁規(guī)范中仍然是按允許應力法設計，因此內力組合按正常使用狀態(tài)下標準組合進行計算。

采用的幾種最不利組合為：

組合I：恒載+汽車活載+人行道人群荷載；

組合II：恒載+汽車活載+人行道人群荷載+體系升溫

組合III：恒載+汽車活載+人行道人群荷載+體系降溫

組合IV：恒載+全橋滿布人群荷載(驗算荷載)。

(1) 荷載組合下主纜、吊桿計算結果。在活載及其組合作用下，主纜的內力包絡圖計算結果如下：

組合I：最大32 399.2 kN，最大應力：471.2 MPa;

組合II：最大34 932.3 kN，最大應力：508.1 MPa；

組合III：最大30 373.0 kN，最大應力：441.8 MPa；

組合IV：最大 35 436.8 kN, 最大應力：515.4 MPa。

按主纜鋼絲極限強度1 670 MPa計算，主纜鋼絲的安全系數為：3.24，大于規(guī)范規(guī)定值2.5, 滿足規(guī)范要求。

在活載及其組合作用下，吊索的最大內力如表5所列。

表5 正常使用荷載組合下部分吊桿力內力表

考慮橋塔兩側和錨固跨側最短吊桿力較大，橋塔兩側各一對吊索和小樁號側錨碇處一對吊索采用PES7-109吊桿，大樁號側錨碇處一個吊桿采用雙根D120剛性吊桿，其余吊桿均采用PES7-73。

從計算結果可見，吊索的安全系數大于3.3,滿足規(guī)范的要求。

(2) 荷載組合下鋼主梁內力與應力計算結果。在組合荷載作用下，加勁梁上的最大正彎矩為33 744 kN·m，出現在主跨跨中；最大反彎矩為40 106 kN·m出現在邊跨鋼混結合段。根據加勁梁上的彎矩、軸力、結構的截面特性等，可計算出加勁梁在組合I下各截面的應力，各截面的應力包絡圖如圖10所示。

圖10 正常使用工況下主梁應力圖

從圖10可見，在組合的設計荷載下，鋼箱梁上緣的最大壓應力為85.5 MPa，主塔橫梁位置處；最大拉應力為24.5 MPa出現在主跨跨中位置處。一般梁段鋼箱梁的第一體系壓應力在70 MPa以下，最大拉應力在10 MPa以下，應力滿足要求。

(3) 荷載組合下鋼主梁變形計算結果。活載作用下(汽車與人行道人群)加勁梁的撓度包絡圖如圖11所示。從圖中可見，加勁梁的最大正撓度為0.108 m，最大反撓度為0.031 m。主跨的撓跨比為1/1 064，小于規(guī)范規(guī)定的1/300，剛度滿足要求。

圖11 正常使用工況下主梁活荷擾度圖

5 結束語

自錨式懸索橋由于其結構造型美觀,經濟性能好,對地形和地質狀況適應性強等優(yōu)點,越來越受到人們的青睞。本文以潁柳路泉河大橋為工程背景,運用BNLAS橋梁非線性分析系統(tǒng)進行計算分析，得出結論如下：

(1) 通過有限元模型,得到了成橋狀態(tài)下較為合理的主纜及吊桿的軸力。在該索力作用下,成橋恒載作用下的主纜線形與設計線形基本一致，吊桿力設計合理,加勁梁的恒載彎矩比較小。

(2) 在正常使用荷載組合狀態(tài)下，主纜鋼絲的安全系數為：3.24，大于規(guī)范規(guī)定值2.5, 滿足規(guī)范要求。由于邊吊桿較短，設計采用剛性吊桿合理，全橋吊索的安全系數大于3.2,滿足規(guī)范的要求。荷載組合下鋼主梁第一體系壓應力在70 MPa以下，應力滿足要求。加勁梁的最大正撓度為0.108 m，最大反撓度為0.031 m，小于規(guī)范規(guī)定的1/300，剛度滿足要求。

自錨式懸索橋主纜在施工時,變形大,結構的非線性顯著, 施工過程中存在索鞍預偏、頂推、塔頂預拋高等工作，且索鞍的位置調整對主纜線形、撓度影響較靈敏，在后期其他論文中將針對細化后施工階段進行詳細分析。

[1] 梁 艷,陳艾榮. 城市標志性橋梁設計原則[J].橋梁建設，2006(5)：48～50.

[2] 胡建華,向建軍.平勝大橋獨塔自錨式懸索橋的設計與關鍵技術[J].公路,2006(5):21～26.

[3] 胡建華,唐茂林.自錨式懸索橋恒載吊索力的設計方法研究[J].橋梁建設,2007(2):43～47.

[4] 潘永仁,范立礎.懸鏈線單元在懸索橋主纜下料長度計算中的應用[J].結構工程師,1998(3):20～24,46.

[5] 項海帆.高等橋梁結構理論[M].北京:人民交通出版社,2001.

[6] 李傳習,夏桂云.大跨度橋梁結構計算理論[M].北京: 人民交通出版社,2002.

[7] 唐茂林．大跨度懸索橋空間幾何非線性分析與軟件開發(fā)[D].成都:西南交通大學,2003.

[8] 沈銳利.懸索橋主纜系統(tǒng)設計及架設計算方法研究[J].土木工程學報,1996(4):3～9.

[9] 唐茂林,沈銳利,強士中.大跨度懸索橋絲股架設線形計算的精確方法[J].西南交通大學學報,2001(3):303～307.

2016-11-04

盧元剛(1984-)，男，安徽宿州人，碩士，安徽省交通規(guī)劃設計研究總院股份有限公司工程師．

U448.25

A

1673-5781(2016)06-0766-04