西拉沐伦河特大桥主梁结构整体计算及局部仿真分析

2020-10-21杨大余貟宝锋

筑路机械与施工机械化 2020年9期

杨大余，李轲，貟宝锋

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710065)

0 引言

矮塔斜拉桥是介于柔性斜拉桥和连续梁之间的一种过渡性桥梁，具有塔矮、梁刚、索的贡献相对较低、受力以梁为主等特点。相较常规斜拉桥由主梁和斜拉索共同提供刚度来承担荷载的受力模式，矮塔斜拉桥则是靠梁的弯、压、剪和索的受拉等综合作用来承担。相对于普通斜拉桥主要承受压力的主梁，矮塔斜拉桥的主梁不仅要承担轴向压力，还要承受大部分的弯矩和剪力，其受力更加复杂[1-4]。因此，对矮塔斜拉桥的主梁进行受力分析研究及局部仿真分析是很有必要的。

1 项目概况

西拉沐伦河特大桥是丹锡高速公路克什克腾(经棚)至乌兰布统(蒙冀界)段项目的控制性工程。桥梁全长为2 064.0 m，跨径组成为：(4×30) m+(3×40) m预制T梁+(128+5×240+128) m矮塔斜拉桥+2×(2×40) m预制T梁。全桥设计时速为100 km·h-1，公路等级为双向四车道高速公路，汽车荷载等级公路-I级，主桥桥面组成为：0.5 m(防撞护栏)+11.5 m(机动车道)+0.5 m(防撞护栏)+2.5 m(索塔)+0.5 m(防撞护栏)+11.5 m(机动车道)+0.5 m(防撞护栏)=27.5 m，桥梁纵坡≤1.5%，桥面横坡双向2%。

2 主桥构造特点

主梁采用全预应力混凝土箱梁，混凝土标号为C60，截面形式为变高度、斜腹板单箱三室宽幅式，边支点及跨中主梁高4 m，墩顶主梁高9 m，高跨比为1/60～1/26.7，边中跨比为0.53；主梁顶板中室为0.6 m，边室为0.3 m，底板自跨中至近墩顶从0.32 m渐变至1.1 m，梁高及梁底宽变化段的截面高度、底板厚度按1.8次抛物线变化；腹板近墩顶29 m范围内边、中腹板厚分别为0.8 m、0.9 m，并自8号块分别过渡至0.5 m、0.6 m；跨中无索区长度为27 m，根部无索区长度为29.45 m，边跨跨中无索区长度为19.6 m，根部无索区长度为29.45 m；桥塔塔高为38 m，根部截面尺寸为8×2.5 m，桥塔高跨比为1/6.3；C1～C6拉索间距为5 m，C7～C14为6 m；主桥采用塔墩梁固结刚构体系，仅在过渡墩设置滑动支座。

3 全桥整体计算

3.1 计算模型

采用空间杆系程序MIDAS Civil对本桥进行空间有限元建模，主墩、主梁、索塔采用梁单元进行模拟，拉索单元采用桁架单元进行模拟。基于非线性理论,全桥共划分为301个主梁单元，132个主塔单元，234个主墩单元，168个拉索单元，共划分848个节点。模型边界条件模拟为：基于群桩基础，整体刚度很大，主墩墩底固结；主梁在过渡墩处竖向和横向约束，纵桥向释放。根据施工顺序进行施工阶段分析，成桥后进行二期恒载、基础位移、活载及附加力分析，验算各阶段及各工况的内力、应力及刚度。

3.2 荷载选取

施工阶段分析考虑以下荷载：

(1)二期恒载包括桥面铺装、防撞护栏和风屏障等附属设施，按170.0 kN·m-1计。

(2)主墩基础按沉降5 cm考虑，过渡墩基础按沉降3 cm考虑。

(3)汽车荷载横向折减系数设为0.55，偏载系数按1.15考虑，其横向分布调整系数设为3.795。

(4)结构设计合龙温度按5 ℃±3 ℃考虑，结构体系升温为28.6 ℃，结构体系降温取-17.6 ℃。

(5)主梁截面温差按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)中的要求取T1=14 ℃，T2=5.5 ℃施加。

(6)桥址处设计基本风速Vs10为33.5 m·s-1，主梁、塔、墩、斜拉索上的风荷载及施工阶段的风荷载按《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/3360—2019)的规定计算，当风荷载参与汽车荷载组合时，桥面高度处的风速VZ=25 m·s-1，施工阶段的风速重现期系按10年取，其设计风速Vsd为28.14 m·s-1。

(7)在整个分析过程中，考虑几何变形和初始力对刚度的影响。

3.3 施工阶段划分

按照拟定的施工方案划分施工阶段进行分析计算，为了便于考虑混凝土收缩、徐变的特性，以及验算短暂状况的受力合理性，并根据施工工艺考虑施工荷载对内力、外观线形等的影响，共划分142个施工阶段，分别对施工过程中各阶段的内力、应力和挠度进行计算。本方案的施工阶段划分见表1。

3.4 主梁计算结果

3.4.1 主梁施工阶段应力验算

最大悬臂状态为最不利施工阶段，设计考虑桥向和横桥向风荷载、两侧悬臂端部混凝土不平衡浇注荷载、两侧悬臂端部不均匀堆载、不对称挂蓝等工况下不利组合，上下缘最大压应力分别为21.04、19.4 MPa，上下缘最大拉应力分别为0.61、1.59 MPa，满足规范《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)的要求。

3.4.2 主梁运营阶段应力验算

在运营阶段，按成桥状态下的自重及二期恒载、活载、预应力，混凝土收缩、徐变，支座强迫位移，温度整体，梯度升降温，纵向风荷载对结构进行分析计算。主梁为全预应力构件，在持久状况短期效应组合下，主梁未出现拉应力，上缘最小压应力为-2.8 MPa，出现在边跨支点附近，下缘最小压应力为-1.6 MPa，出现在近边墩顶附近，抗裂验算满足规范要求。在持久状况预应力混凝土构件标准组合值

表1 施工阶段划分

下，主梁最大正截面压应力为18.1 MPa，出现在主梁下缘，均小于19.25 MPa，满足规范要求。

3.4.3 主梁承载能力验算

桥梁构件的承载能力极限状态计算，承载能力极限状态下主梁各控制点强度满足规范要求，控制1.1的安全富余，结果见表2。

表2 主梁控制点承载能力表

3.4.4 主梁刚度验算

受弯构件在使用阶段的挠度应考虑荷载长期效应的影响，本桥主梁采用C60混凝土，其挠度长期增长系数ηθ=1.40。主梁在汽车荷载作用下的特征位置处位移见表3。

消除结构自重产生的长期挠度后，主梁的最大挠度不应超过计算跨径1/600。主梁在移动荷载作用下竖向位移绝对值之和为0.132 m，乘以挠度长期增长系数1.40后为0.185 m，小于L/600(0.4 m)，说明正常使用极限状态下主梁挠度满足规范要求。

表3 汽车作用位移表

4 主梁拉索横梁局部分析

4.1 拉索横梁承载能力计算

4.1.1 荷载组合

根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)对使用阶段分别进行不同组合，当车辆、温度荷载与恒载效应组合时，均为选择性组合即不利时参与组合，有利时不参与组合。采用以下组合方式进行验算。

组合一：永久作用+车辆。

组合二：永久作用+车辆+升温组合。

组合三：永久作用+车辆+降温组合。

升温组合为系统升温+梯度升温，降温组合为系统降温+梯度降温。

4.1.2 模型建立

取索力最大的C14号拉索对应的21号块段进行计算，承载能力极限状态验算偏安全按单梁计算，等效荷载取整体模型中21号块段承载能力极限状态下梁体两端的剪力差值除以拉索横梁宽度得到的均布荷载。模型共划分为31个节点，30个单元，在拉索横梁宽度范围内施加等效均布荷载，并在主梁与拉索连接处施加固定约束。

4.1.3 计算结果

主梁的拉索横梁按A类部分预应力混凝土构件控制设计。根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)中第5.1.5条的规定，桥梁构件的承载能力极限状态计算应满足：

r0S≤R

(1)

式中：r0为桥涵结构重要性系数，本桥取1.1；S为作用组合(其中汽车荷载应计入冲击系数)的效应设计值，对持久设计状况应按作用基本组合计算；R为构件承载力设计值。

由图1可知：拉索横梁的最大及最小弯矩均小于相应的截面抗弯承载力，因此，正截面抗弯承载力验算满足要求。

图1 拉索横梁弯矩及相应抗力图

根据《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)中第5.2.7条的规定，桥梁构件的斜截面抗剪承载力应满足：

γ0Vd≤Vn=Vcs+Vsb+Vpb

(2)

式中：Vd为剪力设计值(kN)，按斜截面剪压区对应正截面处取值；Vcs为斜截面内混凝土和箍筋共同的抗剪承载力设计值(kN)；Vsb是与斜截面相交的普通弯起钢筋抗剪承载力设计值(kN)；Vpb是与斜截面相交的体内预应力弯起钢筋抗剪承载力设计值(kN)；Vpb,ex是与斜截面相交的体外预应力弯起钢筋抗剪承载力设计值(kN)。

经计算，抗剪承载能力满足要求。具体计算结果见图2。

图2 拉索横梁剪力及相应抗力图

由图2可知：拉索横梁的最大及最小剪力均小于相应的截面抗剪承载力，因此，桥面板的斜截面抗剪承载力验算满足要求。

4.2 拉索横梁正应力分析

4.2.1 有限元模型

取C14号斜拉索对应的21号块段进行分析，节段计算模型采用的荷载及边界条件依据圣维南原理取自全桥整体结构分析模型，同时考虑节段总重、拉索索力、拉索横梁横向预应力荷载，采用大型有限元分析程序ANSYS对斜拉索对应梁段进行成桥阶段局部应力分析。模型C60混凝土采用可考虑混凝土开裂的三维实体单元Solid65单元模拟，混凝土弹性模量取3.6×104MPa，容重为26 kN·m-3，泊松比为0.2。为了能更好地模拟混凝土全过程本构关系，模型采用多线性等向强化模型MISO，并采用输入混凝土单轴受压应力-应变关系全过程曲线的方法，应力-应变关系曲线如图3所示。