双塔双索面钢斜拉桥静载试验控制截面有限元分析

胡艳

摘 要：结合具体工程特色，运用有限元分析软件Midas Civil建立有限元模型，模拟桥梁结构的受力特点，通过有限元理论分析，保证桥梁结构的安全性，并进行桥梁载荷试验，全面评估桥梁结构性能及使用功能。

关键词：有限元;Midas Civil;载荷试验

1 引言

随着社会经济的快速发展，我国的城市基础设施建设工作也在快速推进，作为城市建设重要组成部分的橋梁建设也得到相应发展。因此，如何保证桥梁结构的施工质量与运营安全至关重要。通过有限元分析软件Midas Civil最大限度的了解桥梁结构特性，为桥梁载荷试验提供相应的理论支持。

2 例题分析

2.1 工程概况

广西某一桥梁为双塔双索面钢斜拉桥（45.00+100.00+300.00+100.00+45.00）m，主梁采用横向分离的两全焊扁平流线形封闭钢箱梁，梁高3.40m，两分离主梁中间采用横箱连接，主梁上翼缘为正交异性板结构;索塔采用单柱式变截面独柱索塔，塔柱采用空心薄壁圆端形截面;斜拉索采用竖琴式布置，顺桥向标准间距12.00m。

设计提供主要技术标准如下：

（1）汽车荷载：城市-A级。

（2）人群荷载：人行道板的局部荷载为5kPa（均布）或1.5kN（集中）;人行道上的人群荷载为3.15kPa。人行道扶手的水平向外荷载为2.5kN/m，竖向荷载为1.2kN/m。

（3）设计速度：50km/h。

（4）主桥桥面宽度：1.00m（风嘴）+2.25m（人行道）+2.50m（非机动车道）+0.50m（波形护栏）+10.50m（行车道）+0.50m（防撞护栏）+6.50m（横箱连接箱）+0.50m（防撞护栏）+10.50m（行车道）+0.50m（波形护栏）+2.50m（非机动车道）+2.25m（人行道）+1.00m（风嘴）=41.00m。

（5）桥面纵坡：本桥位于半径10000m及8000m的竖曲线上，前变坡点桩号为K0+780，其前后纵坡分别为2.30%和-2.30%，后变坡点桩号为K1+095，其前后纵坡分别为-2.30%和-1.20%。

（6）桥梁平曲线：引桥处于缓和曲线及直线上，主桥处于直线上。

（7）桥面横坡：双向2%。

设计提供主要材料参数如下：

（1）混凝土：主桥主塔采用C50砼;主塔承台采用C40砼;墩柱、承台采用C30砼;桥台前墙、背墙、耳墙、牛腿采用C30砼;桥墩及桥台桩基采用C30砼。

（2）普通钢筋：采用R235钢筋（Ⅰ级钢筋）和HRB335钢筋（Ⅱ级钢筋）。钢筋技术性能应分别符合国家标准《钢筋混凝土用热轧带肋钢筋》（GB1499.2-2008）和《钢筋混凝土用热轧光圆钢筋》（GB1499.1-2008）的规定。

（3）预应力钢筋：采用技术性能符合《预应力混凝土用钢绞线》（GB/T5224-2003）标准的高强度低松弛7股捻制钢绞线，公称直径15.20mm，抗拉强度标准值fpk=1860MPa，弹性模量Ep=1.95×105MPa。

（4）斜拉索：采用位于HDPE护套管内的外包PE塑料护套并涂有油脂的单根环氧喷涂钢绞线组成的钢绞线束。单根钢绞线规格直径为15.20mm，喷涂标准直径为16.10mm，喷涂涂层厚度0.12～0.20mm，中心丝与边丝各钢丝外表面均单独形成环氧树脂涂膜。钢绞线抗拉强度标准值fpk=1860MPa，弹性模量Ep=1.95×105MPa，其各项指标均需满足《预应力混凝土用环氧涂层钢绞线》（ISO14655：1999）的要求。

（5）锚具：锚具采用成品锚具及其配套设备，并符合中华人民共和国国家标准《预应力筋用锚具、夹具和连接器》（GB/T 14370-2007）、中华人民共和国交通行业标准《公路桥梁预应力钢绞线用锚具、连接器试验方法及检验规格》（JT 329.2-97）等技术要求。

2.2 有限元模型建立

通过Midas Civil软件建立有限元分析模型（如图1），模型主要由梁单元、桁架单元两种类型单元组成，其中斜拉索采用桁架单元，其他的均采用梁单元，以便模拟其连接部位的局部受力和变形情况。全桥共1055个节点，905个单元（桁架单元88个、梁单元817个）。

斜拉索与钢箱梁之间的连接采用弹性连接里的刚性连接，钢箱梁与桥墩之间采用一般连接，桥墩边界条件设置为固结。

为方便计算和建模方便，对模型采用以下假设：

（1）混凝土、钢筋为理想弹性材料，混凝土、钢筋的弹性模量为常数;

（2）截面变形符合平截面假设;

（3）不考虑桥面铺装及桥梁装饰等二期荷载对桥梁抗弯、抗扭的影响。

2.3荷载选取

（1）桥梁恒载重量包括主梁自重、主梁钢锚梁重、塔端钢锚梁重、风嘴、能量塔、横隔板及二期荷载重量。C50混凝土容重为26.00kN/m3;Q345容重为78.50kN/m3。

（2）桥梁活载重量为标准车辆荷载在单向4车道作用下的设计荷载（城-A级）。

（3）斜拉索力依据设计要求添加锚索张拉力荷载，斜拉索容重γ为86.45kN/m3。

2.5计算结果分析

根据桥梁结构的内力包络图（图2），按照最不利受力原则，同时结合现场条件选取测试截面。本工程试验跨为第5、6跨，测试截面分别为最大负弯矩C截面、最大正弯矩D、E截面。如图3、图4所示，并同时对斜拉索索力和能量塔塔顶水平位移进行测试。

本次以测试D截面的内力控制为例进行等效荷载试验即桥梁静力载荷试验。设计荷载作用下D截面内力影响线如图5所示，内力控制加载表如表1所示，根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）中静力荷载试验加载效率介于0.95～1.05之间原则，本次载荷试验加载有效。加载车辆示意图如图6所示。

3 结论

因此，应根据桥梁具体的结构特点并结合有限元软件Midas建立有限元单元模型，对桥梁结构进行力学计算分析，测定桥梁结构在试验荷载作用下的结构响应，正确分析其受力状况，为桥梁载荷试验提供理论支持、为桥梁运营安全性提供技术依据。

参考文献

[1] 《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）;

[2] 《城市桥梁设计规范》（CJJ 11-2011）;

[3] 《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）;

[4]《midas Civil在桥梁结构分析中的应用》（作者：刘美兰）人民交通出版社;

[5]《桥梁工程软件midas Civil应用工程实例》（作者：邱顺冬）人民交通出版社。