南水北调应急段生产桥上部结构整体计算分析

□文/狄 娴

南水北调应急段生产桥上部结构整体计算分析

□文/狄 娴

南水北调应急段生产桥结构为下承式系杆拱桥，桥梁跨度大、宽度窄，拱结构高，受力情况较特殊。文章利用软件建立空间有限元模型，对桥梁整体结构进行计算分析，从桥梁整体强度、刚度和稳定性各方面进行验算并分析计算结果，使其符合相关规范要求，为设计工作提供依据。

下承式；系杆拱桥；位移；屈曲分析

南水北调应急段生产桥梁之一，跨越南水北调河渠，由于是生产桥，竖向活载基本由小型生产机具产生，载荷较小，但桥梁跨度大、宽度窄，拱结构高，受风载荷影响大，横向受力影响可能大于竖向活载影响，情况较特殊。利用软件建立空间有限元模型，对桥梁整体结构进行计算分析，为施工图设计提供指导依据，进而达到使施工图更合理更优化。

1 工程概况

本桥结构为下承式系杆拱桥，全长85m，全宽6.8 m，行车道净宽4.5m，拱高17m。桥面系由混凝土纵横梁与混凝土桥面板构成，拱肋为2道混凝土箱形拱。纵桥向吊杆间距5m，全桥32根吊杆，两拱间共设6根风撑。

桥面设置2道纵梁，截面为1.15m×0.75m，每根纵梁内设置2根系杆与拱肋连接，每根系杆由27根无粘结环氧喷涂预应力钢绞线UPS15E组成。由于桥梁横向相对较窄，将防撞护栏与纵梁浇筑成一体，增强构件的受力性能。为减轻重量，2道拱肋设计为中空的箱形截面，截面尺寸为1.4m×0.8m，腹板厚0.15m，顶底板厚0.2m。风撑截面为1m×0.6m。吊杆采用PES(FD)7-19低应力防腐索体。具体桥梁布置图1。

图1 桥梁布置

2 基本设计资料

2.1 载荷标准

车道载荷公路－Ⅱ级；风载荷按当地基本风速及风压，拱结构风力1.5kN/m2，纵梁2kN/m2；主梁的上下缘正温差为16.4℃，负温差为8.2℃；桥梁整体升温34℃，整体降温10℃。

2.2 材料性能

1）系杆。预应力钢绞线采用φs15.20mm高强低松弛预应力钢绞线，标准强度fpk=1860MPa，E=1.95×105MPa。

2）吊杆。采用平行钢丝束，标准抗拉强度1670MPa。

3 计算过程

3.1 结构简化

拱肋结构、拱间风撑及桥面系均模拟为梁单元，为保证拱结构连续性，未模拟拱内实体隔板，实体隔板重量作为节点载荷加在拱上。桥面系模拟为纵横梁结构，桥面板的重量及铺装重量作为梁单元载荷加在虚梁上。

纵梁上防撞护栏重量作为梁单元载荷加在纵梁上，吊杆及纵梁内系杆模拟为只受拉的桁架单元。

3.2 边界条件

支座模拟为1个固定支座，1个约束横桥向位移的单向支座，2两个双向支座，见图2和图3。

图2 空间有限元模型

图3 边界约束

3.3 输出结果

个别构件部位风载荷所引起的结构效应已超过汽车载荷成为主导效应，因此承载极限组合分为以风载荷为主的承载极限组合1及以汽车载荷为主的承载极限组合2，取其最不利工况，见表1和表2。

表1 承载极限组合1

表2 承载极限组合2

正常使用中的短期和长期效应，按JTGD60—2004《公路桥涵设计通用规范》相关规定取用。

1）支座反力。标准组合反力见图4和图5。

图4 竖向反力

图5 横向反力

2）各构件内力。以拱肋为例，承载极限内力见图6-图9。

图6 承载极限组合弯矩My

图7 承载极限组合弯矩Mz

图8 承载极限组合扭矩Mx

图9 承载极限组合剪力Fz

其他各部位承载极限组合内力值见表3。

表3 桥梁其他构件内力

根据以上反力内力值，进行各构件截面配筋及强度验算，满足规范要求即可。

3）吊杆拉力。不同工况下吊杆拉力见图10和图11。

图10 吊杆标准组合最大拉力

图11 吊杆标准组合最小拉力

根据弹性组合情况，吊杆最大应力364MPa，安全系数为4.5，内力幅为82kN，应力幅为112MPa，小于规范规定的200MPa，满足要求。

4）位移结果。不同工况下桥梁位移见图12和图13。

图12 成桥状态竖向位移

图13 活载工况竖向位移

活载作用下最大竖向位移为49mm，小于规范L/400=212.5（mm），满足规范要求。

5）屈曲分析。桥梁各阶曲屈变形及安全系数见图14-图 16。

图14 一阶屈曲安全系数

图15 二阶屈曲安全系数

图16 三阶屈曲安全系数

一阶屈曲安全系数为187，远大于4，满足相关规范要求。

4 结论

由上述结果可知，主桥整体上部结构的强度、刚度和稳定性均满足相关规范要求。各构件可根据相关计算结果进行设计，使其满足相关规范要求即可。

U442

C

1008-3197（2014）02-54-03

10.3969/j.issn.1008-3197.2014.02.022

2013-11-06

狄 娴/女，1980年出生，工程师，天津市市政工程设计研究院赛英工程建设咨询管理有限公司，从事桥梁设计工作。