公铁两用三索面斜拉桥结构受力分析

2015-12-28马驰刘世忠

铁道建筑 2015年4期

关键词：活载桥塔成桥

马驰，刘世忠

(兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州730070)

公铁两用三索面斜拉桥结构受力分析

马驰，刘世忠

(兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州730070)

三索面三主桁斜拉桥主跨跨度630 m，为公铁两用斜拉桥结构。钢桁梁采用N字形桁架，桥塔为菱形加倒Y形混凝土结构，塔高为225 m。为研究该桥结构的受力，建立该桥密横梁有限元模型，进行合理成桥状态模拟计算，分析各个工况下结构的内力和变形。结果表明:斜拉索最大应力为724 MPa，主桁竖向最大挠度为112.3 cm，梁端转角为1.98×10－3rad，主桁横向最大位移为4.8 cm。该桥在应力、稳定和刚度方面均满足规范要求。

公铁两用斜拉桥钢桁梁静力分析应力变形有限元法

1 工程概况

某桥主桥为公铁两用两塔五跨钢桁梁斜拉桥，跨径布置为(90+240+630+240+90)m，主跨630 m，主梁采用飘浮体系，斜拉索采用钢绞线斜拉索，采用菱形加倒Y形混凝土桥塔，塔高为225 m。斜拉桥总体布置示意如图1。该桥下层为设计时速250 km铁路双线和设计时速160 km铁路双线共四线铁路，上层为设计时速100 km的双向六车道高速公路。每延米活载351 kN。1.1主桁

图1 斜拉桥总体布置示意(单位:m)

该桥设计采用三索面三桁架斜拉桥结构，钢桁梁采用N字形桁架，3片主桁布置。总桁宽34.2 m，桁高15.5 m，节间长15 m。考虑板桁共同作用，主桁上、下弦杆均采用箱形截面。斜杆和竖杆采用箱形或工字形截面。主桁采用钢材Q370qd，节点采用焊接整体节点，节点外拼接。桁架结构采用较大的截面尺寸和整体式的正交异性桥面板体系及密横梁体系，有效地将局部荷载较均匀地分布到整体结构中去。

1.2 桥塔和斜拉索

桥塔采用强度等级C50混凝土，箱形截面，塔身总高225 m。上塔柱在塔顶到塔顶以下72 m的区段内顺桥向宽度均为9.6 m，再逐渐增大至塔底的16 m。横桥向上塔柱横向尺寸为11～21.2 m，中塔柱横向尺寸为8 m，下塔柱横向尺寸为8～14 m。

斜拉索对称布置，采用抗拉强度为1 860 MPa的钢绞线，主梁上斜拉索间距均为15 m，塔上斜拉索锚固点的间距布置为4×4 m+14×2.5 m。

2 有限元计算

2.1 有限元模型

采用有限元分析软件MIDAS建立由梁、桁单元组成的三维空间有限元模型，对桥面结构采用了一定的简化，采用密横梁模型进行分析计算，除了在主桁节点处设置节点横梁外，一般在节点之间增设2～4组节间横梁。主桁、横联以及腹杆、桥塔等均采用直线梁单元模拟，斜拉索采用桁架单元模拟。按照实际车道数目计入车道荷载作用。共计7 919个节点，11 084个单

元［1-3］。

主梁采用飘浮体系，在桥塔和主梁之间安装阻尼装置，以控制主梁在制动力和地震力作用下的纵向位移。在各墩上设置竖向支座，桥塔上同时设置横向支座限制主梁横向位移。

2.2 计算荷载及荷载组合

2.2.1 计算荷载

1)该桥永久作用包括结构一期恒载、二期恒载、斜拉索索力、混凝土收缩徐变和基础变位;可变作用包括火车活载、汽车活载、温度变化作用、制动力或牵引力、风荷载。

2)客车冲击系数按《高速铁路设计规范》(TB 10020—2009)中规定计算［4］，货车冲击系数按《铁路桥涵设计基本规范》(TB 10002.1—2005)中规定计算［5］。6车道公路Ⅰ级，横向折减0.5、纵向折减0.95，冲击系数按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)中规定计算［6］。

3)汽车制动力。根据英国规范BS5400，总制动力按700 kN考虑，分布在中桁上，线荷载为0.543 kN/m。

4)客专制动力为450×64×0.1=2 880 kN，分布在左边最外侧的车道中心线处，线荷载为2.233 kN/m。

5)货车制动力为50 000×0.1=5 000 kN，分布在右边最外侧的车道中心线处，线荷载为3.876 kN/m。

6)温度变化的作用。体系温差依据桥址处气象资料，结构各材料的升降温为:混凝土±20℃，钢+29℃～－37℃。构件温差依据《公路斜拉桥设计细则》(JTG/T D65-01—2007)中关于构件间温差的规定取为斜拉索±15℃、桥塔±5℃。

7)支座摩阻力。摩擦系数为0.05，根据恒载反力计算出相应的摩阻力，再同温度荷载相结合考虑。

8)特殊荷载。脱轨荷载较结构承受的活载小，不控制结构设计。主桥两端设置双向轨道温度调节器，不需考虑断轨力。地震作用由抗震专题研究。

2.2.2 荷载组合

根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)及《铁路桥涵设计基本规范》(TB 10002.1—2005)的规定，主要考虑以下荷载组合［7-13］:

1)主力分为恒载(结构重力、拉索拉力、收缩徐变、基础变位等)、恒载+活载(0.75×四线铁路+六车道公路)、恒载+活载(1.0+四线铁路+六车道公路)三种工况。

2)主力+附加力分为主力+纵向风力+制动力、主力+横向风力、主力+横向风力+温度力三种工况。

3 计算结果及分析

3.1 主桁应力

通过初步计算，得到结构的成桥恒载(工况Ⅰ)下和成桥恒载+活载(0.75×四线铁路+六车道公路) (工况Ⅱ)下索力。在此索力基础上，计算得到主桁等主要构件在两种工况下的应力，见表1。

成桥恒载+活载(0.75×四线铁路+六车道公路)工况下，主桁上、下弦杆除中桁下弦在辅助墩处应力为195 MPa外，其余均在150 MPa以内，均能满足规范要求。各工况下所有杆件的最不利部位强度均有较大的富余，保证结构在整体受力过程中的稳定安全。

3.2 斜拉索应力

计算中取边桁对应的索面为边索面，中桁对应的索面为中索面，斜拉索在成桥恒载工况下和成桥恒载+活载(0.75×四线铁路+六车道公路)工况下的应力如图2和图3所示。斜拉索编号:中跨是从桥塔至跨中为1～19，边跨是从桥塔至边跨端部为1～19。

图2 成桥恒载工况

1)边索面斜拉索应力。成桥恒载工况下边索面应力最大值为544 MPa，最小值为463 MPa;成桥恒载+活载(0.75×四线铁路+六车道公路)工况下边索面应力最大值为680 MPa，最小值为525 MPa。

图3 成桥恒载+活载工况

2)中索面斜拉索应力。成桥恒载工况下中索面应力最大值为575 MPa，最小值为494 MPa;成桥恒载+活载(0.75×四线铁路+六车道公路)工况下中索面应力最大值为724 MPa，最小值为562 MPa。中索面斜拉索最大应力是724 MPa，满足规范小于0.4× 1 860=744 MPa要求。在同一工况同一横断面斜拉索中，中索面应力全部高于边索面应力值，最大相差8%，中索面的斜拉索利用率高于边索面的斜拉索。

斜拉索疲劳检算时，疲劳荷载考虑与《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB 10002.2—2005)中要求一致。对于边索面索力应力幅，160 km/h双线侧最大值为124.3 MPa，最小值为47.8 MPa;250 km/h双线侧最大值为90.0 MPa，最小值为18.6 MPa。对于中索面索力应力幅，最大值为96.2 MPa，最小值为40.4 MPa，满足规范要求(＜250 MPa)。

3.3 结构刚度

公铁两用大桥，尤其是铁路部分在车辆高速行驶过程中动荷载会较大，将使得结构动挠度比静力状态有较大的增加，因此对于结构刚度的控制是必须的。通过全桥模型的仿真，对结构刚度进行计算。

1)在成桥恒载+活载(0.75×四线铁路+六车道公路)工况下，主跨跨中最大挠度是87.7 cm，梁端转角是1.6×10－3rad;在成桥恒载+活载(1.0×四线铁路+六车道公路)工况下铁路桥面的挠跨比为1/560，主跨跨中最大挠度为112.3 cm，梁端转角是1.98× 10－3rad，满足规范2×10－3rad的要求。

2)在成桥恒载+横向风力+整体升温27℃工况下，跨中横向最大位移是4.8 cm，规范要求小于630/ 4 000=0.15 m，满足要求。在各种不利条件下，结构各部分刚度及变形皆满足要求，因此结构总体刚度验算满足要求。

此外，分析桥塔结构受力行为，结果表明在各个静力工况下，压应力最大值在下横梁的各个截面处为最大，并且在这些工况下横梁有较大的富余量。对该桥塔的稳定性分析得出，三维桥塔的顺桥向稳定系数为6.189，横桥向的稳定系数为28.801，均大于4，满足规范要求的稳定系数。