独塔自锚式悬索桥BNLAS结构分析

卢元刚, 王胜男

(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088;2.安徽六安飞宇建设工程有限公司 合肥分公司，安徽 合肥 230088)

独塔自锚式悬索桥BNLAS结构分析

卢元刚1, 王胜男2

(1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088;2.安徽六安飞宇建设工程有限公司 合肥分公司，安徽 合肥 230088)

自锚式悬索桥以其美观的外形、良好的适应性和适中的经济指标等优点,在城市桥梁的建设中,已经成为一种颇具竞争力的桥型方案而被大量地采用。论文以阜阳颍柳路泉河大桥设计方案为例,采用BNLAS非线性空间分析程序，探讨分析自锚式悬索桥的成桥线形调整、静力行为问题,得到了较为合理的主缆及吊杆的索力，验算恒载和正常使用阶段主缆、吊杆、主梁内力、应力及挠度，验算结构设计合理性。

自锚式悬索桥；BNLAS；静力分析；桥梁设计；内力；挠度

1 工程概况

本文依托阜阳颍柳路泉河大桥，项目位于阜阳城区西部，位于泉河水系景观“西湖文化景区”和祥源·颍淮生态文化旅游区。颍柳路泉河大桥跨越泉河，规划航道等级为Ⅳ级航道，采用单孔双向通航。桥梁方案选择上，结合道路功能定位、经济合理的基础上，考虑景观需求，同时应融入文化历史元素，体现颍州深厚的文化底蕴。设计出既经济合理又造型优美，体现地方文化特征的桥梁方案(图1)，力求成为生态文化区的门户，成为一个地标性建筑[1]。

图1 颍柳路泉河大桥效果图

主桥跨径布置为22 m+82 m+115 m+22 m，主桥全长241 m，为独塔自锚式悬索桥。通航孔由主桥115 m的主跨跨越。桥型布置如图2所示。

图2 主桥总体布置图

2 主桥结构形式及设计要点

本桥结构体系为塔梁分离半漂浮体系，钢纵梁通过支座支撑在主塔下塔柱横梁上，同时设置横向限位构造，主梁与主塔受力明确。

2.1 索塔设计

索塔设计考虑结构受力同时体现景观需求，采用类似牌坊、门楼设计风格，融入颍州文化元素。索塔横桥向布置两根塔柱，在塔柱两侧各设置一个副塔，两主塔之间，主塔和副塔间设置下横梁。索塔塔高(自承台顶往上，含塔顶装饰)67 m，其中桥面以上塔身高为46.0 m(图3)。

图3 索塔一般构造

2.2 主梁设计

主梁采用钢-混凝土混合梁结构，82 m副跨、115 m主跨采用钢箱梁结构，22 m边跨采用混凝土箱梁，钢混结合段设置与82 m、115 m跨径内。箱梁梁高均为2.75 m，梁宽43.5 m[2]。

钢箱梁主梁采用双边箱全焊钢箱梁，材料为Q345qD，主梁断面如图4所示。

图4 主跨钢箱梁断面(非吊杆位置处)

混凝土箱梁为双边箱，顶板厚28 cm，,底板及腹板厚度均为35 cm，翼缘4.0 m。混凝土边跨断面如图5所示。

图5 混凝土边跨断面图

2.3 主缆设计

主缆(图6)为两跨不对称空间线形，主跨主缆理论跨径110 m，主缆线形为分段悬链线。理论矢高8.80 m，矢跨比1∶12.5，边跨主缆理论跨径77 m，跨中垂度4.448 m。每根主缆采用37 根通长索股。每根索股由91丝5.4 mm的高强镀锌平行钢丝组成，钢丝标准强度为1 670 MPa。主缆锚固在边跨混凝土加劲梁上[3-4]。

图6 主缆截面图

3 主桥结构计算程序及参数

3.1 计算程序

本设计的结构整体计算对结构的静力特性进行计算分析，计算采用西南交通大学的BNLAS软件进行空间静力特性分析[5-6]。

BNLAS是 Bridge NonLiner Anlysis System的简称，中文名称为：桥梁非线性分析系统。

该系统采用的非线性有限元理论，以改进的增量迭代法为非线性迭代格式，以不平衡力和相对位移误差的无限范数作为迭代收敛检查准则，考虑空间单元的大位移、大转动影响，采用高精度的方法计算单元的内力及变形。软件按施工步骤自动形成各阶段的计算图式，适用于任何桥梁结构的计算，尤其是缆索承重桥梁——悬索桥的计算具有明显的优势[7]。

3.2 主要材料参数

(1) 主梁钢材：主梁钢结构主要采用Q345qD、Q370qD钢材，部分附属结构采用Q235B钢材。钢材性能指标,见表1所列。

表1 钢材性能指标表

(2) 主缆及吊杆平行钢丝。主缆采用Φ5 mm高强镀锌钢丝、吊杆采用Φ7 mm高强镀锌钢丝，其主要力学性能见表2所 。

表2 高强平行钢丝材料性能表

(3) 刚性吊杆：靠近主跨锚块处的N19根吊杆采用直径120 mm刚性吊杆，材料选用镀锌40CrNiMoA钢。具体性能力学指标如表3所列。

表3 40CrNiMoA刚性吊杆材料性能表

3.3 设计荷载

设计荷载考虑一期恒载、二期恒载、支座沉降、汽车荷载及其汽车冲击力、人群荷载、汽车制动力、温度荷载、风荷载。

3.4 施工阶段划分

按施工步骤划分施工阶段，模拟主塔施工、主梁施工到成桥的主要施工过程。计算步骤如下[8]：

桥塔柱的施工——按设计图给定的桥塔柱施工过程进行分析；

在支架上浇筑混凝土梁段和钢混结合梁段；

张拉混凝土梁段的预应力；

除合龙段以外的加劲梁顶推施工到位；

主缆的架设与安装——主缆施工过程分析；

安装吊索，形成成桥结构一期恒载状态；

拆除临时施工支架；

桥面铺装，成桥结构状态计算；

活载作用效应的分析——荷载组合。

4 主桥主要计算结果

4.1 恒载状态下主要计算结果

(1) 恒载下主缆单元水平分力。主缆成桥状态下各单元各端点的水平分力为24 993.88 kN。由于计算时主缆采用的是悬链线单元，主缆单元两端的张力并不完全相等。

(2) 恒载下吊索力。根据设计图的自重和预应力状态，为达到设计的加劲梁与主缆线形，成桥时的吊索力如表4所列。

表4 成桥恒载下吊杆力 kN

(3) 恒载下加劲梁的内力及应力计算结果[9]。在恒载下，不考虑混凝土边跨预应力等作用后，按拟定的施工过程模拟计算得到的成桥状态内力如图7、图8所示。

从计算结果可见，钢箱梁梁上恒载作用下轴力均匀为49 400 kN，钢箱梁最大负弯矩为2 745.7 kN·m，最大正弯矩为11 930 kN·m，出现在钢混结段周围。一般梁段恒载弯矩比较小，有吊索的地方出现反弯矩，吊索之间为正弯矩。

根据恒载内力，按设计截面计算的结构恒载应力如图9所示。在恒载下，加劲梁上钢混结合的过渡段应力最大该梁段的最大压应力为36.45 MPa，最小压应力为0.839 MPa。根据以上结果可见，恒载下结构内的应力分布比较均匀合理。

图7 恒载下主梁轴力图

图8 恒载下钢主梁弯矩图

图9 恒载下钢主梁应力图

4.2 正常使用荷载组合状态下主要计算结果

加劲梁采用钢结构，目前桥梁规范中仍然是按允许应力法设计，因此内力组合按正常使用状态下标准组合进行计算。

采用的几种最不利组合为：

组合I：恒载+汽车活载+人行道人群荷载；

组合II：恒载+汽车活载+人行道人群荷载+体系升温

组合III：恒载+汽车活载+人行道人群荷载+体系降温

组合IV：恒载+全桥满布人群荷载(验算荷载)。

(1) 荷载组合下主缆、吊杆计算结果。在活载及其组合作用下，主缆的内力包络图计算结果如下：

组合I：最大32 399.2 kN，最大应力：471.2 MPa;

组合II：最大34 932.3 kN，最大应力：508.1 MPa；

组合III：最大30 373.0 kN，最大应力：441.8 MPa；

组合IV：最大 35 436.8 kN, 最大应力：515.4 MPa。

按主缆钢丝极限强度1 670 MPa计算，主缆钢丝的安全系数为：3.24，大于规范规定值2.5, 满足规范要求。

在活载及其组合作用下，吊索的最大内力如表5所列。

表5 正常使用荷载组合下部分吊杆力内力表

考虑桥塔两侧和锚固跨侧最短吊杆力较大，桥塔两侧各一对吊索和小桩号侧锚碇处一对吊索采用PES7-109吊杆，大桩号侧锚碇处一个吊杆采用双根D120刚性吊杆，其余吊杆均采用PES7-73。

从计算结果可见，吊索的安全系数大于3.3,满足规范的要求。

(2) 荷载组合下钢主梁内力与应力计算结果。在组合荷载作用下，加劲梁上的最大正弯矩为33 744 kN·m，出现在主跨跨中；最大反弯矩为40 106 kN·m出现在边跨钢混结合段。根据加劲梁上的弯矩、轴力、结构的截面特性等，可计算出加劲梁在组合I下各截面的应力，各截面的应力包络图如图10所示。

图10 正常使用工况下主梁应力图

从图10可见，在组合的设计荷载下，钢箱梁上缘的最大压应力为85.5 MPa，主塔横梁位置处；最大拉应力为24.5 MPa出现在主跨跨中位置处。一般梁段钢箱梁的第一体系压应力在70 MPa以下，最大拉应力在10 MPa以下，应力满足要求。

(3) 荷载组合下钢主梁变形计算结果。活载作用下(汽车与人行道人群)加劲梁的挠度包络图如图11所示。从图中可见，加劲梁的最大正挠度为0.108 m，最大反挠度为0.031 m。主跨的挠跨比为1/1 064，小于规范规定的1/300，刚度满足要求。

图11 正常使用工况下主梁活荷扰度图

5 结束语

自锚式悬索桥由于其结构造型美观,经济性能好,对地形和地质状况适应性强等优点,越来越受到人们的青睐。本文以颍柳路泉河大桥为工程背景,运用BNLAS桥梁非线性分析系统进行计算分析，得出结论如下：

(1) 通过有限元模型,得到了成桥状态下较为合理的主缆及吊杆的轴力。在该索力作用下,成桥恒载作用下的主缆线形与设计线形基本一致，吊杆力设计合理,加劲梁的恒载弯矩比较小。

(2) 在正常使用荷载组合状态下，主缆钢丝的安全系数为：3.24，大于规范规定值2.5, 满足规范要求。由于边吊杆较短，设计采用刚性吊杆合理，全桥吊索的安全系数大于3.2,满足规范的要求。荷载组合下钢主梁第一体系压应力在70 MPa以下，应力满足要求。加劲梁的最大正挠度为0.108 m，最大反挠度为0.031 m，小于规范规定的1/300，刚度满足要求。

自锚式悬索桥主缆在施工时,变形大,结构的非线性显著, 施工过程中存在索鞍预偏、顶推、塔顶预抛高等工作，且索鞍的位置调整对主缆线形、挠度影响较灵敏，在后期其他论文中将针对细化后施工阶段进行详细分析。

[1] 梁 艳,陈艾荣. 城市标志性桥梁设计原则[J].桥梁建设，2006(5)：48～50.

[2] 胡建华,向建军.平胜大桥独塔自锚式悬索桥的设计与关键技术[J].公路,2006(5):21～26.

[3] 胡建华,唐茂林.自锚式悬索桥恒载吊索力的设计方法研究[J].桥梁建设,2007(2):43～47.

[4] 潘永仁,范立础.悬链线单元在悬索桥主缆下料长度计算中的应用[J].结构工程师,1998(3):20～24,46.

[5] 项海帆.高等桥梁结构理论[M].北京:人民交通出版社,2001.

[6] 李传习,夏桂云.大跨度桥梁结构计算理论[M].北京: 人民交通出版社,2002.

[7] 唐茂林．大跨度悬索桥空间几何非线性分析与软件开发[D].成都:西南交通大学,2003.

[8] 沈锐利.悬索桥主缆系统设计及架设计算方法研究[J].土木工程学报,1996(4):3～9.

[9] 唐茂林,沈锐利,强士中.大跨度悬索桥丝股架设线形计算的精确方法[J].西南交通大学学报,2001(3):303～307.

2016-11-04

卢元刚(1984-)，男，安徽宿州人，硕士，安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司工程师．

U448.25

A

1673-5781(2016)06-0766-04