沈阳市东塔跨浑河桥总体静力计算分析

于海宾

（沈阳市市政工程设计研究院，辽宁 沈阳 110015）

桥梁结构

沈阳市东塔跨浑河桥总体静力计算分析

于海宾

（沈阳市市政工程设计研究院，辽宁 沈阳 110015）

沈阳市东塔跨浑河桥为双塔双索面自锚式悬索桥，主桥跨径布置为40+90+220+90+40=480 m，桥塔为钢桁架桥塔，造型独特优美。现以东塔跨浑河桥为实例，利用Midas/civil计算软件，介绍了自锚式悬索桥的总体计算过程，以及要点分析。

自锚式悬索桥；总体静力计算；钢桁架桥塔

1 工程概述

某工程位于沈阳四塔之一的东塔以南2 km处，故取名东塔跨浑河桥。它处于浑河南岸通往市区的王家湾桥与长青桥之间。主桥为五跨连续钢桁架桥塔自锚式悬索桥，跨径布置为40+90+220+ 90+40=480（m），主缆垂跨比为1/5.5。主桥在有索区宽度为43.3 m，无索区及引桥均为40 m（见图1、图2）。

图1 东塔跨浑河桥效果图

图2 东塔跨浑河桥立面图

桥梁为半漂浮体系，结构体系约束情况为：索塔两侧牛腿上设置一个单向支座和一个双向支座；在牛腿与主梁之间设置粘滞阻尼器，在主梁与桥塔间设置横向限位支座；锚固跨桥墩分别设置一个单向支座和一个双向支座；两端过渡墩上各设置两个双向支座。

2 结构总体静力计算分析

悬索桥静力分析设计的工作主要分为两个步骤：一是设计主缆及加劲梁系统；二是根据已经决定的主缆及加劲梁体系来设计索塔系统。本文计算模型基于有限位移理论，利用Midas/civil计算程序建立三维空间有限元模型进行计算分析。

2.1 主要材料及规格

2.1.1 主缆

采用直径φ5.0，公称抗拉强度1 670 MPa的高强度镀锌钢丝。每根主缆共有19股索股，每根索股由127根φ5.0的高强镀锌钢丝组成（见图3）。

图3 主缆及索股断面图

2.1.2 吊杆

每根吊索由19根φs15.2钢绞线组成，标准抗拉强度1 860 MPa，全桥吊索采用同一种规格。

2.1.3 钢箱梁

钢箱梁采用Q345D钢材，弹性模量为2.06× 105MPa。

2.1.4 桥塔

桥面以下9.5 m处为钢/混凝土分界线，分界线以上为钢结构，采用Q345D钢材，分界线以下塔身与承台均为现浇混凝土结构，塔身混凝土为C50混凝土。

2.2 结构离散

悬索桥主缆及吊索的抗弯刚度较小，其受力主要是受拉，可以采用空间索单元进行模拟；桥塔及加劲梁可以作为空间梁单元模拟，加劲梁的空间杆系模型采用“鱼骨式”形式，通过刚性连接将吊索下锚固点与加劲梁节点进行连接，模型边界条件按照实际设计约束进行模拟。

2.3 主要荷载

2.3.1 永久作用

自重：包括主缆、吊索、索夹、主缆防护、缆索附属、索鞍、散索套、索塔、加劲梁、桥面系的自重。

基础变位：主塔下基础为-20 mm，其余各桥墩基础为-5 mm。

2.3.2 可变作用

温度作用：设计合拢温度为5～15℃，钢加劲梁、主塔钢结构段、主缆、吊杆体系升温采用41℃，体系降温采用-58℃；主塔混凝土段升温采用29℃，体系降温采用-38℃。

风荷载:按横桥向和纵桥向分别考虑，根据《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T D60-01-2004）进行计算。

汽车荷载:汽车荷载为城-A级，8车道。

人群荷载:2.5 kN/m2。

2.4 用Midas/civil建立模型

2.4.1 建立悬索桥初始平衡状态模型

Midas/civil中提供了建模助手功能。该功能可帮助使用者快速建立悬索桥初始平衡状态模型。但是在使用过程中需要注意，为了尽量使悬索桥助手建立的模型贴近实际，可在“桥面系单位重量”中输入预估的吊索力，如图4所示。预估的吊索力可以通过建立全桥梁单元模型，在模型中除了设置正常支座之外，在所有吊索位置均添加一个竖向支撑，每个竖向支撑的反力就是该处横向两根吊索的合力，这样在“悬索桥分析”过程中模型更接近于实际情况，模型分析收敛误差更小。

2.4.2 建立悬索桥成桥状态

在悬索桥建模助手建立的模型基础上，按照工程实际情况建立三维空间有限元模型，并添加二期荷载，删除初始平衡状态模型中的“非线性分析数据”。在“悬索桥分析控制”对话框中添加垂点组与更新节点组，同时定义自重荷载工况，运行分析后得到悬索桥精确平衡状态，成桥状态对应成桥吊索力见表1所列。

图4 桥面系单位重量图示

表1 实际成桥吊索力与初始拟定吊索力对比一览表

由表1可见，由于配跨的存在和主梁刚度、重量分布与建模助手中考虑的不同，同时该桥为自锚式悬索桥，实际成桥吊杆力与建模助手中输入的吊索力是有差异的，是经过了重新分配的，但两者之间差别较小。至此，悬索桥成桥状态模型建立完成，如图5所示。

图5 桥梁空间有限元模型

2.4.3 建立悬索桥总体静力分析模型

在悬索桥成桥模型基础上，施加其他可变作用（汽车、人群、温度、变位、风等），同时组合荷载工况即可进行总体静力计算。

2.5 主要计算结果

2.5.1 主缆强度验算

根据计算结果，主缆拉应力最大的位置为塔顶处8#单元处（边跨侧），其主要荷载效应结果见表2所列。

表2 主缆拉应力验算表

由表2可以看出，按照承载能力极限状态基本组合计算的主缆安全系数γ=1 670/799.1=2.09＞1.85，满足规范要求。同时可以看出，在主缆所承受的荷载中，恒载、汽车荷载及人群荷载起到绝大多数作用，其中恒载在所有荷载中所占比重最大，约占所有荷载效应的80%以上，因此在悬索桥设计初期，可以根据相关教材按照桥面恒载手动近似计算得出拟定的主缆规格。

2.5.2 吊索强度验算

吊索与主缆情况相似，其各部分荷载效应产生的结果所占比重与主缆相差较小，吊索拉应力最大的吊索位于主跨跨中处，按照承载能力极限状态基本组合计算吊索的拉应力为678.5 MPa，吊索安全系数γ=1 860/678.5=2.74＞2.2，满足规范要求。

2.5.3 加劲梁强度验算

图6至图9为钢加劲梁的主要应力结果。

图6 钢加劲梁上缘最大压应力图（MPa）

图7 钢加劲梁下缘最大压应力图（MPa）

图8 钢加劲梁上缘最大拉应力图（MPa）

图9 钢加劲梁下缘最大拉应力图（MPa）

由于自锚式悬索桥在加劲梁上锚固主缆，加劲梁承受主缆端部的巨大的水平分力，且全桥轴力变化很小，所以自锚式悬索桥的主梁拉应力一般可以控制得比较小。从图8、图9结果也可以看出，加劲梁上下缘最大拉应力均出现在辅助跨侧。从图6、图7可以看出，上缘最大压应力出现在主跨跨中处，下缘最大压应力出现在索塔处，全桥钢加劲梁最大压应力为143.8 MPa，满足规范要求。

2.5.4 主塔强度验算

主塔是悬索桥承重结构的重要构架，是用以支承主缆并将荷载通过基础传递给地基的结构。在成桥状态下，主缆理论上只向主塔传递轴力作用，主塔的弯矩主要来自于可变荷载，主塔压应力结果如图10所示，压应力最大位置位于塔根部内侧，最大压应力为181.6 MPa，满足规范要求。

图10 桥塔最大压应力图（MPa）

3 结语

城市桥梁在满足交通功能的基础上对于外观的要求越来越高，悬索桥造型独特，线形优美，同时受地质条件限制，自锚式悬索桥越来越多地被应用于城市桥梁的设计当中。本文通过沈阳市东塔跨浑河桥的实际案例，介绍了自锚式悬索桥总体静力计算要点、方法，以及部分受力特点分析，为其他相似规模自锚式悬索桥提供参考。沈阳市市政工程设计研究院在设计完成后也多次召开专家会议，对一些重点问题展开论证，同时向其他有经验的设计单位学习设计资料。目前该桥梁正在安全有序地进行施工，预计于2018年竣工通车。

U441+.5

B

1009-7716（2017）04-0056-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.017

2017-01-24

于海宾（1984-），男，辽宁鞍山人，高级工程师，从事桥梁工程设计工作。