桥面景观钢结构变形计算分析

陈前玲　崔自力　胥维纤

（陕西水环境工程勘测设计研究院陕西西安710018）

桥面景观钢结构变形计算分析

陈前玲崔自力胥维纤

（陕西水环境工程勘测设计研究院陕西西安710018）

本文借鉴国内外已成桥面钢结构景观工程设计实例，对石堤河桥面钢结构进行了景观造型设计，其造型独特，外表美观，受到了外界及行业内的一致好评，本文采用A N SY S有限元软件对桥面钢结构受力情况进行模拟，最终在满足钢结构应力应变的条件下，对结构进行了优化设计，为今后类似工程提供相关设计参考。

桥面景观；自重；风荷载；车辆荷载

1　工程概况

石堤河河口防汛交通桥南距老西潼公路5km，西南距华县10km。本次设计在现状石堤河口交通桥上游并排新建预应力混凝土空心板桥一座，长100m（20m×5跨），桥面宽16.5m，扩宽后桥面总宽度为25.5m。桥面功能区由临河至背河侧依次为：0.5m栏杆、3.5m人行休闲步道、3m自行车道、1.5m隔离带、14m行车道、2.5m人行休闲步道、0.5m栏杆。石堤河桥共5跨，本次设计桥面钢结构位于石堤河桥中间3跨，总长60m，主体由四根φ244.5mm的不锈钢圆拱钢管和φ48.3mm、φ244.5mm的系杆组合而成的钢构架，钢构架总高度为12m，跨度60m，位于1～4号桥墩间，拱脚分别位于1、4号桥墩处，总宽度为24.65m。

本次设计桥面钢结构总长60m，主体由四根φ244.5mm的不锈钢圆拱钢管和φ48.3mm、φ244.5mm的系杆组合而成的钢构架，钢构架总高度为12m，跨度60m，总宽度为24.65m。外侧圆拱最大拱高12m，与桥面垂直，外侧圆拱与桥面之间采用间距2m、垂直桥面的φ48.3mm不锈钢钢管系杆，为了减轻汽车经过桥面时引起钢管振动，在外侧圆拱φ48.3mm不锈钢钢管系杆距拱顶1.2m处设计一道伸缩节，伸缩节具体设计为：伸缩节总长50cm，为φ80mm的不锈钢套管，其顶部与φ40的钢管焊接在一起，焊接长度为5cm，中间预留15cm的伸缩空间，下部伸入套管内30cm；内侧圆拱最大拱高9.75m，倾向桥内侧的圆弧拱形，内侧圆拱采用φ139.7mm的不锈钢钢管系杆与外侧圆拱钢管连接，间距为2m，圆拱钢管顶部采用4根φ139.7mm的不锈钢钢管系杆将内侧两根圆拱钢管连接。钢管与桥面连接处底部采用20mm厚的钢板，位于桥面铺装层内，要求钢板与铺装层底部钢筋焊接在一起，并在钢管周围采用厚度为20mm的8个钢板将钢管固定，钢管周围采用C25混凝土包裹。石堤河桥面景观钢结构断面见图1。

2　模型建立

2.1计算软件介绍

计算采用国内外通用的结构分析软件ANSYS，ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。本项目采用ANSYS软件计算时，所涉及到的分析类型如下：

①结构静力分析：用来求解外载荷引起的位移、应力和力。不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。

②结构动力学分析：用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。

③结构非线性分析：结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。

2.2计算工况

钢构架结构受力计算工况：

（1）工况一：自重荷载作用下对拱架的安全性和拱脚的刚度进行校核；

（2）工况二：自重荷载+风荷载作用下对拱架的安全性和拱脚的刚度进行校核；

（3）工况三：自重荷载+风荷载+汽车荷载作用下对拱架的安全性和拱脚的刚度进行校核。

2.3计算模型

表1列出了两种钢管截面的特性参数，图2给出了拱架结构的整体有限元模型图。

由于拱圈与桥面连接的竖杆设置了伸缩节构造，基本上可以消除车辆行驶过程中引起的拱圈的振动，而拱角布置在板桥的两端台冒梁处，行车荷载引起的变形比较小，对拱圈基本无影响，故对于桥面景观结构不再校核行车荷载作用。

图1　桥面景观钢结构断面图

图2　拱架模型

图3　变形图

表1　两种钢管截面特性参数表

3　计算结果及分析

按照上述有限元计算模型，对桥面钢结构进行非线性有限元仿真计算，得到三种工况下应力变形计算结果。

工况一：重力作用

由于边拱的竖杆设置了伸缩节，伸缩节上部竖杆自重由拱圈承担，而伸缩节下部竖杆自重由桥面承担。因此，将伸缩节上部竖杆自重等效为集中载荷，作用于拱圈对应位置。

从图3可以看出，在重力荷载标准值作用下，最大变形发生于拱架顶部主侧拱之间的横杆上，总变形为0.0407m，其中竖向位移为0.0406m。拱架挠跨比为0.0407m/24.5m=1/602，参考《空间网格结构技术规程》（以下简称《规程》），空间网格结构在恒荷载与活荷载标准值作用下的最大挠度值不宜超过《规程》中的容许挠度值。本拱架的挠跨比为1/602，且为单层结构体系，满足刚度要求。

工况二：重力+风荷载作用

由于边拱的竖杆设置了伸缩节，车辆移动引起的荷载不会传递到拱架，但竖杆的部分自重及风荷载将传递给拱架，故在此仅考虑竖杆传递的风荷载。伸缩节上部竖杆自重由拱圈承担，而伸缩节下部竖杆自重由桥面承担。因此，将伸缩节上部竖杆自重等效为集中载荷，作用于拱圈对应位置。

可伸缩竖杆会受到风荷载的作用，并且将部分风载传递给边拱，部分传递给桥面。为计算方便，将可伸缩竖杆上受到的风载一分为二，一半传给侧拱，一半传递给桥面。

从图4可以看出，在自重和风载标准值作用下，最大变形发生于顶部连接内外拱的横杆上，总变形0.05384m，其中竖向位移（z向）为0.049988m，y向（横向，即风载作用方向）位移为0.02m。由此可以看出，该拱架侧向刚度足够。

工况三：重力+风荷载+汽车荷载作用

若竖杆伸缩节失效，则汽车荷载就会传递到拱架，本次分析汽车移动荷载作用下拱架的变形、强度及稳定承载力。不考虑边拱竖杆所设置的伸缩节，为了便于施加车辆移动荷载，将与竖杆连接的一块边板纳入模型，竖杆与边板之间刚接，边板在墩台处铰接。车辆荷载按铰接板的分布系数进行荷载分配，但考虑到该桥是在旧桥的基础上加宽，待加宽后，原桥面作为自行车道，行车道在新建桥面，故车辆仅布置在新建桥面，横向分布系数计算中，铰接板的数目为16块板。空心板所承担的车辆荷载按荷载横向分布系数确定。

多车道桥梁上的汽车荷载应考虑多车道折减。当桥涵设计车道数等于或大于2时，由汽车荷载产生的效应按表2规定的多车道折减系数进行折减，但折减后的效应不得小于两设计车道的荷载效应。本桥四车道，因此，横向折减系数本应取为0.67。鉴于安全起见，这里不考虑横向折减系数。

由于该桥为双向四车道，行车载荷作用下拱架结构响应计算时，按最不利的四辆车同时行驶考虑，行驶速度为设计速度60km/h，将四辆车各自荷载折算至边板。车辆荷载仅施加在行车道侧，偏安全的不再考虑对面侧人群载荷。

在正常使用极限状态下，验算在移动车辆荷载作用下拱架的变形情况，考虑如下荷载：拱架自重、车辆荷载、风载、人群载荷，按+0.75S风进行组合。车辆行驶速度为设计速度60km/h，拱架下的桥面长为60m，再加上车身长度，车辆从进入至离开桥面共需4.392s。结果表明，当两辆上行车与两辆下行车行驶至第二跨跨中附近时，节点71在1.2s变形达到最大值，最大变形量为0.0435m，拱架挠跨比为0.0445m/24.5m=1/551，满足《规程》中的容许挠度值，且为单层结构体系，故满足刚度要求。

表2　横向折减系数

4　结论

本次计算仅对景观结构的变形进行了分析，提出了满足要求的设计方案，但未对整体稳定性、细部设计进行分析和设计，如构件之间焊缝、拱角与桥面的连接。建议钢件之间采用连续焊焊缝连接，焊缝尺寸拟根据分析得到内力按焊缝承载力计算确定；拱角尺寸及基础承载力按双向偏小受压柱脚设计原理进行设计。通过三种工况计算，结果表明：风荷载和车辆荷载对钢结构稳定性的影响是不容忽视的，今后在做类似工程时一定要注意风荷载及车辆荷载对桥面钢结构的稳定性影响。陕西水利

图4　重力载荷+风载拱架变形图

（责任编辑：畅妮）

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