运营阶段斜拉桥主梁在不同荷载组合下的内力分析

赵岩飞

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)



运营阶段斜拉桥主梁在不同荷载组合下的内力分析

赵岩飞

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043)

为研究运营阶段不同荷载组合对斜拉桥主梁内力的影响，以某新建双塔混凝土斜拉桥工程为依托，采用MIDAS/Civil建立了斜拉桥有限元模型，对斜拉桥在运营阶段主梁内力进行计算分析，得出了不同荷载组合下的斜拉桥主梁内力及混凝土应力。结果表明：运营阶段不同荷载组合中主梁横截面上的最大压应力为23.73 MPa，发生于南主塔处梁肋，最大拉应力为4.63 MPa，发生于主塔最外侧梁肋角点，对应荷载组合为LM4+人行道荷载；只有塔梁支座处局部的拉应力较大；最大剪应力发生于P2索塔附近桥面板，大小为10.63 MPa，对应荷载组合亦为LM4+人行道荷载。

斜拉桥; 主梁； 荷载组合; 内力

为研究运营阶段不同荷载组合对斜拉桥主梁内力的影响，以某新建双塔混凝土斜拉桥工程为依托，采用MIDAS/Civil建立了斜拉桥有限元模型，对斜拉桥在运营阶段的主梁内力进行计算分析。计算得出了不同荷载组合下的斜拉桥主梁内力及混凝土应力。

1 工程概况

某新建斜拉桥主桥采用主跨为285 m预应力混凝土斜拉桥，桥梁跨径布置采用49+81+285+81+49=545 m，为双塔双索面半漂浮结构体系。该预应力混凝土斜拉桥总体布置图见图1。

图1 整体布置

大桥索塔采用钻石造型索塔，包括塔座、下塔柱、中塔柱、上塔柱、3 道索塔横梁。索塔锚固区采用钢锚箱结构。采用钻孔灌注桩基础结构，桩基直径2.0 m。主梁采用混凝土Π型双边主梁，为C45/55预应力混凝土，主梁中心梁高2.2 m，桥宽22.0 m，顶面设置双向2.4 %横坡，主梁断面横向左右侧不对称，河侧有人行道，桥宽12.25 m，城市侧桥宽9.75 m，详细布置见图2，采用钢绞线斜拉索。

图2 主梁标准横截面布置

2 计算建模

2.1 计算模型

采用MIDAS/Civil对该斜拉桥进行计算分析，用双主梁单元+板单元建立曲线斜拉桥的全桥模型(图3)。在一般桥梁的有限元计算中，横隔梁不影响顺桥向与竖向的应力和变形，因此只须采用等效集中荷载的方式考虑其自重的影响即可。但在曲线梁中，横隔梁对翼缘板的竖向变形和翘曲都将产生约束作用，因此应考虑其刚度，所以在本计算中采用梁单元来实现横隔梁模拟[1-3]。

(a)长度为9m的梁段

(b)长度为6m的梁段

全桥有限元模型见图4所示，单元总数为2 301个。

图4 全桥有限元模型

2.2 计算荷载

运营阶段采用三种荷载组合，一种为LM1+人行道荷载，另外一种为LM4+人行道荷载，第三种为LM1+风荷载组合[4-6]。

汽车荷载：欧洲规范LM1、LM2、LM4。

人群荷载：均布荷载5 kN/m2。

风荷载：基本风速vb=15 m/s。

3 不同荷载组合下主塔计算结果分析

3.1 主梁内力

不同荷载组合作用下主梁内力如表1～表3所示。主梁各截面上的内力均通过求取该截面上的桥面板单元内力与两肋梁单元内力的合力获得。

表1 不同荷载组合作用下主梁最大弯矩

(a) LM1+人群荷载轴力

(b) LM1+人群荷载竖向剪力

(c) LM1+人群荷载弯矩图5 LM1+人群荷载组合作用下主梁内力

荷载组合最大轴力/kN位置沿线路前进方向的坐标/mLM1+人行道荷载8471.08271.075LM4+人行道荷载-13745.98129.823LM1+风荷载-129260.42499.435

表3 不同荷载组合作用下主梁最大竖向剪力

不同荷载组合作用下主梁轴力图、剪力图及弯矩图如图5～图7所示。

(a) LM4+人群荷载轴力

(b) LM4+人群荷载竖向剪力

(c) LM4+人群荷载弯矩图6 LM4+人群荷载组合作用下主梁内力

3.2 主梁混凝土应力

不同荷载组合作用下，主梁各横截面上的混凝土应力如表4所示。

表4 不同荷载组合作用下主梁横截面应力

(a) LM1+风荷载轴力

(b) LM1+风荷载竖向剪力

(c) LM1+风荷载弯矩图7 LM1+风荷载组合作用下主梁内力

由上分析可见不同的荷载组合中主梁横截面上的最大压应力为23.73 MPa，发生于南主塔处梁肋，荷载组合为LM4+人行道荷载；最大拉应力为4.63 MPa，发生于主塔最外侧梁肋角点，荷载组合为LM4+人行道荷载，经分析，只有塔梁支座处局部的拉应力较大；最大剪应力为10.63 MPa，发生于P2索塔附近桥面板，荷载组合为LM4+人行道荷载。

由于篇幅限制，仅列出LM1+人行道荷载下主梁各部位应力云图，具体见图8～图11。

图8 LM1+人行道荷载组合下主梁桥面板正应力

图9 LM1+人行道荷载组合下主梁桥面板剪应力

图10 LM1+人行道荷载组合下主梁梁肋及横隔梁正应力

图11 LM1+人行道荷载组合下主梁梁肋及横隔梁剪应力

4 结论

运营阶段不同荷载组合下主梁内力最大值位置差异较大，主梁横截面上的最大压应力为23.73 MPa，发生于南主塔处梁肋，荷载组合为LM4+人行道荷载；最大拉应力为4.63 MPa，发生于主塔最外侧梁肋角点，荷载组合为LM4+人行道荷载。经分析，只有塔梁支座处局部的拉应力较大；最大剪应力为10.63 MPa，发生于P2索塔附近桥面板，荷载组合为LM4+人行道荷载。

[1] 王忠. 大跨斜拉桥主梁受力性能分析[D].合肥工业大学,2015.

[2] 周毅,孙利民,闵志华. 斜拉桥主梁应变监测数据分析[J]. 振动与冲击,2011(4):230-235.

[3] 余晓琳,李伟,颜全胜,等. 珠江黄埔大桥斜拉桥主梁可靠度分析[J]. 湖南科技大学学报:自然科学版,2010(2):45-49.

[4] 马海英. 预应力混凝土斜拉桥主梁横向应力分布研究[D].同济大学,2007.

[5] 陈晔. 斜拉桥主梁应力监测与合拢控制研究[D].长安大学,2006.

[6] 武芳文. 混凝土斜拉桥主梁静力可靠性分析[D].西南交通大学,2004.

赵岩飞(1990～),男，硕士，助理工程师，主要从事混凝土桥梁结构的设计与研究。

U448.27

A

[定稿日期]2017-03-03