運營階段斜拉橋主梁在不同荷載組合下的內力分析

趙巖飛

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

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運營階段斜拉橋主梁在不同荷載組合下的內力分析

趙巖飛

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043)

為研究運營階段不同荷載組合對斜拉橋主梁內力的影響，以某新建雙塔混凝土斜拉橋工程為依托，采用MIDAS/Civil建立了斜拉橋有限元模型，對斜拉橋在運營階段主梁內力進行計算分析，得出了不同荷載組合下的斜拉橋主梁內力及混凝土應力。結果表明：運營階段不同荷載組合中主梁橫截面上的最大壓應力為23.73 MPa，發生于南主塔處梁肋，最大拉應力為4.63 MPa，發生于主塔最外側梁肋角點，對應荷載組合為LM4+人行道荷載；只有塔梁支座處局部的拉應力較大；最大剪應力發生于P2索塔附近橋面板，大小為10.63 MPa，對應荷載組合亦為LM4+人行道荷載。

斜拉橋; 主梁； 荷載組合; 內力

為研究運營階段不同荷載組合對斜拉橋主梁內力的影響，以某新建雙塔混凝土斜拉橋工程為依托，采用MIDAS/Civil建立了斜拉橋有限元模型，對斜拉橋在運營階段的主梁內力進行計算分析。計算得出了不同荷載組合下的斜拉橋主梁內力及混凝土應力。

1 工程概況

某新建斜拉橋主橋采用主跨為285 m預應力混凝土斜拉橋，橋梁跨徑布置采用49+81+285+81+49=545 m，為雙塔雙索面半漂浮結構體系。該預應力混凝土斜拉橋總體布置圖見圖1。

圖1 整體布置

大橋索塔采用鉆石造型索塔，包括塔座、下塔柱、中塔柱、上塔柱、3 道索塔橫梁。索塔錨固區采用鋼錨箱結構。采用鉆孔灌注樁基礎結構，樁基直徑2.0 m。主梁采用混凝土Π型雙邊主梁，為C45/55預應力混凝土，主梁中心梁高2.2 m，橋寬22.0 m，頂面設置雙向2.4 %橫坡，主梁斷面橫向左右側不對稱，河側有人行道，橋寬12.25 m，城市側橋寬9.75 m，詳細布置見圖2，采用鋼絞線斜拉索。

圖2 主梁標準橫截面布置

2 計算建模

2.1 計算模型

采用MIDAS/Civil對該斜拉橋進行計算分析，用雙主梁單元+板單元建立曲線斜拉橋的全橋模型(圖3)。在一般橋梁的有限元計算中，橫隔梁不影響順橋向與豎向的應力和變形，因此只須采用等效集中荷載的方式考慮其自重的影響即可。但在曲線梁中，橫隔梁對翼緣板的豎向變形和翹曲都將產生約束作用，因此應考慮其剛度，所以在本計算中采用梁單元來實現橫隔梁模擬[1-3]。

(a)長度為9m的梁段

(b)長度為6m的梁段

全橋有限元模型見圖4所示，單元總數為2 301個。

圖4 全橋有限元模型

2.2 計算荷載

運營階段采用三種荷載組合，一種為LM1+人行道荷載，另外一種為LM4+人行道荷載，第三種為LM1+風荷載組合[4-6]。

汽車荷載：歐洲規范LM1、LM2、LM4。

人群荷載：均布荷載5 kN/m2。

風荷載：基本風速vb=15 m/s。

3 不同荷載組合下主塔計算結果分析

3.1 主梁內力

不同荷載組合作用下主梁內力如表1～表3所示。主梁各截面上的內力均通過求取該截面上的橋面板單元內力與兩肋梁單元內力的合力獲得。

表1 不同荷載組合作用下主梁最大彎矩

(a) LM1+人群荷載軸力

(b) LM1+人群荷載豎向剪力

(c) LM1+人群荷載彎矩圖5 LM1+人群荷載組合作用下主梁內力

荷載組合最大軸力/kN位置沿線路前進方向的坐標/mLM1+人行道荷載8471.08271.075LM4+人行道荷載-13745.98129.823LM1+風荷載-129260.42499.435

表3 不同荷載組合作用下主梁最大豎向剪力

不同荷載組合作用下主梁軸力圖、剪力圖及彎矩圖如圖5～圖7所示。

(a) LM4+人群荷載軸力

(b) LM4+人群荷載豎向剪力

(c) LM4+人群荷載彎矩圖6 LM4+人群荷載組合作用下主梁內力

3.2 主梁混凝土應力

不同荷載組合作用下，主梁各橫截面上的混凝土應力如表4所示。

表4 不同荷載組合作用下主梁橫截面應力

(a) LM1+風荷載軸力

(b) LM1+風荷載豎向剪力

(c) LM1+風荷載彎矩圖7 LM1+風荷載組合作用下主梁內力

由上分析可見不同的荷載組合中主梁橫截面上的最大壓應力為23.73 MPa，發生于南主塔處梁肋，荷載組合為LM4+人行道荷載；最大拉應力為4.63 MPa，發生于主塔最外側梁肋角點，荷載組合為LM4+人行道荷載，經分析，只有塔梁支座處局部的拉應力較大；最大剪應力為10.63 MPa，發生于P2索塔附近橋面板，荷載組合為LM4+人行道荷載。

由于篇幅限制，僅列出LM1+人行道荷載下主梁各部位應力云圖，具體見圖8～圖11。

圖8 LM1+人行道荷載組合下主梁橋面板正應力

圖9 LM1+人行道荷載組合下主梁橋面板剪應力

圖10 LM1+人行道荷載組合下主梁梁肋及橫隔梁正應力

圖11 LM1+人行道荷載組合下主梁梁肋及橫隔梁剪應力

4 結論

運營階段不同荷載組合下主梁內力最大值位置差異較大，主梁橫截面上的最大壓應力為23.73 MPa，發生于南主塔處梁肋，荷載組合為LM4+人行道荷載；最大拉應力為4.63 MPa，發生于主塔最外側梁肋角點，荷載組合為LM4+人行道荷載。經分析，只有塔梁支座處局部的拉應力較大；最大剪應力為10.63 MPa，發生于P2索塔附近橋面板，荷載組合為LM4+人行道荷載。

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趙巖飛(1990～),男，碩士，助理工程師，主要從事混凝土橋梁結構的設計與研究。

U448.27

A

[定稿日期]2017-03-03