公鐵兩用三索面斜拉橋結構受力分析

馬馳，劉世忠

(蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州730070)

公鐵兩用三索面斜拉橋結構受力分析

馬馳，劉世忠

(蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州730070)

三索面三主桁斜拉橋主跨跨度630 m，為公鐵兩用斜拉橋結構。鋼桁梁采用N字形桁架，橋塔為菱形加倒Y形混凝土結構，塔高為225 m。為研究該橋結構的受力，建立該橋密橫梁有限元模型，進行合理成橋狀態模擬計算，分析各個工況下結構的內力和變形。結果表明:斜拉索最大應力為724 MPa，主桁豎向最大撓度為112.3 cm，梁端轉角為1.98×10－3rad，主桁橫向最大位移為4.8 cm。該橋在應力、穩定和剛度方面均滿足規范要求。

公鐵兩用斜拉橋 鋼桁梁 靜力分析 應力 變形 有限元法

1 工程概況

某橋主橋為公鐵兩用兩塔五跨鋼桁梁斜拉橋，跨徑布置為(90+240+630+240+90)m，主跨630 m，主梁采用飄浮體系，斜拉索采用鋼絞線斜拉索，采用菱形加倒Y形混凝土橋塔，塔高為225 m。斜拉橋總體布置示意如圖1。該橋下層為設計時速250 km鐵路雙線和設計時速160 km鐵路雙線共四線鐵路，上層為設計時速100 km的雙向六車道高速公路。每延米活載351 kN。1.1主桁

圖1 斜拉橋總體布置示意(單位:m)

該橋設計采用三索面三桁架斜拉橋結構，鋼桁梁采用N字形桁架，3片主桁布置。總桁寬34.2 m，桁高15.5 m，節間長15 m。考慮板桁共同作用，主桁上、下弦桿均采用箱形截面。斜桿和豎桿采用箱形或工字形截面。主桁采用鋼材Q370qd，節點采用焊接整體節點，節點外拼接。桁架結構采用較大的截面尺寸和整體式的正交異性橋面板體系及密橫梁體系，有效地將局部荷載較均勻地分布到整體結構中去。

1.2 橋塔和斜拉索

橋塔采用強度等級C50混凝土，箱形截面，塔身總高225 m。上塔柱在塔頂到塔頂以下72 m的區段內順橋向寬度均為9.6 m，再逐漸增大至塔底的16 m。橫橋向上塔柱橫向尺寸為11～21.2 m，中塔柱橫向尺寸為8 m，下塔柱橫向尺寸為8～14 m。

斜拉索對稱布置，采用抗拉強度為1 860 MPa的鋼絞線，主梁上斜拉索間距均為15 m，塔上斜拉索錨固點的間距布置為4×4 m+14×2.5 m。

2 有限元計算

2.1 有限元模型

采用有限元分析軟件MIDAS建立由梁、桁單元組成的三維空間有限元模型，對橋面結構采用了一定的簡化，采用密橫梁模型進行分析計算，除了在主桁節點處設置節點橫梁外，一般在節點之間增設2～4組節間橫梁。主桁、橫聯以及腹桿、橋塔等均采用直線梁單元模擬，斜拉索采用桁架單元模擬。按照實際車道數目計入車道荷載作用。共計7 919個節點，11 084個單

元［1-3］。

主梁采用飄浮體系，在橋塔和主梁之間安裝阻尼裝置，以控制主梁在制動力和地震力作用下的縱向位移。在各墩上設置豎向支座，橋塔上同時設置橫向支座限制主梁橫向位移。

2.2 計算荷載及荷載組合

2.2.1 計算荷載

1)該橋永久作用包括結構一期恒載、二期恒載、斜拉索索力、混凝土收縮徐變和基礎變位;可變作用包括火車活載、汽車活載、溫度變化作用、制動力或牽引力、風荷載。

2)客車沖擊系數按《高速鐵路設計規范》(TB 10020—2009)中規定計算［4］，貨車沖擊系數按《鐵路橋涵設計基本規范》(TB 10002.1—2005)中規定計算［5］。6車道公路Ⅰ級，橫向折減0.5、縱向折減0.95，沖擊系數按《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2004)中規定計算［6］。

3)汽車制動力。根據英國規范BS5400，總制動力按700 kN考慮，分布在中桁上，線荷載為0.543 kN/m。

4)客專制動力為450×64×0.1=2 880 kN，分布在左邊最外側的車道中心線處，線荷載為2.233 kN/m。

5)貨車制動力為50 000×0.1=5 000 kN，分布在右邊最外側的車道中心線處，線荷載為3.876 kN/m。

6)溫度變化的作用。體系溫差依據橋址處氣象資料，結構各材料的升降溫為:混凝土±20℃，鋼+29℃～－37℃。構件溫差依據《公路斜拉橋設計細則》(JTG/T D65-01—2007)中關于構件間溫差的規定取為斜拉索±15℃、橋塔±5℃。

7)支座摩阻力。摩擦系數為0.05，根據恒載反力計算出相應的摩阻力，再同溫度荷載相結合考慮。

8)特殊荷載。脫軌荷載較結構承受的活載小，不控制結構設計。主橋兩端設置雙向軌道溫度調節器，不需考慮斷軌力。地震作用由抗震專題研究。

2.2.2 荷載組合

根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2004)及《鐵路橋涵設計基本規范》(TB 10002.1—2005)的規定，主要考慮以下荷載組合［7-13］:

1)主力分為恒載(結構重力、拉索拉力、收縮徐變、基礎變位等)、恒載+活載(0.75×四線鐵路+六車道公路)、恒載+活載(1.0+四線鐵路+六車道公路)三種工況。

2)主力+附加力分為主力+縱向風力+制動力、主力+橫向風力、主力+橫向風力+溫度力三種工況。

3 計算結果及分析

3.1 主桁應力

通過初步計算，得到結構的成橋恒載(工況Ⅰ)下和成橋恒載+活載(0.75×四線鐵路+六車道公路) (工況Ⅱ)下索力。在此索力基礎上，計算得到主桁等主要構件在兩種工況下的應力，見表1。

成橋恒載+活載(0.75×四線鐵路+六車道公路)工況下，主桁上、下弦桿除中桁下弦在輔助墩處應力為195 MPa外，其余均在150 MPa以內，均能滿足規范要求。各工況下所有桿件的最不利部位強度均有較大的富余，保證結構在整體受力過程中的穩定安全。

3.2 斜拉索應力

計算中取邊桁對應的索面為邊索面，中桁對應的索面為中索面，斜拉索在成橋恒載工況下和成橋恒載+活載(0.75×四線鐵路+六車道公路)工況下的應力如圖2和圖3所示。斜拉索編號:中跨是從橋塔至跨中為1～19，邊跨是從橋塔至邊跨端部為1～19。

圖2 成橋恒載工況

1)邊索面斜拉索應力。成橋恒載工況下邊索面應力最大值為544 MPa，最小值為463 MPa;成橋恒載+活載(0.75×四線鐵路+六車道公路)工況下邊索面應力最大值為680 MPa，最小值為525 MPa。

圖3 成橋恒載+活載工況

2)中索面斜拉索應力。成橋恒載工況下中索面應力最大值為575 MPa，最小值為494 MPa;成橋恒載+活載(0.75×四線鐵路+六車道公路)工況下中索面應力最大值為724 MPa，最小值為562 MPa。中索面斜拉索最大應力是724 MPa，滿足規范小于0.4× 1 860=744 MPa要求。在同一工況同一橫斷面斜拉索中，中索面應力全部高于邊索面應力值，最大相差8%，中索面的斜拉索利用率高于邊索面的斜拉索。

斜拉索疲勞檢算時，疲勞荷載考慮與《鐵路橋梁鋼結構設計規范》(TB 10002.2—2005)中要求一致。對于邊索面索力應力幅，160 km/h雙線側最大值為124.3 MPa，最小值為47.8 MPa;250 km/h雙線側最大值為90.0 MPa，最小值為18.6 MPa。對于中索面索力應力幅，最大值為96.2 MPa，最小值為40.4 MPa，滿足規范要求(＜250 MPa)。

3.3 結構剛度

公鐵兩用大橋，尤其是鐵路部分在車輛高速行駛過程中動荷載會較大，將使得結構動撓度比靜力狀態有較大的增加，因此對于結構剛度的控制是必須的。通過全橋模型的仿真，對結構剛度進行計算。

1)在成橋恒載+活載(0.75×四線鐵路+六車道公路)工況下，主跨跨中最大撓度是87.7 cm，梁端轉角是1.6×10－3rad;在成橋恒載+活載(1.0×四線鐵路+六車道公路)工況下鐵路橋面的撓跨比為1/560，主跨跨中最大撓度為112.3 cm，梁端轉角是1.98× 10－3rad，滿足規范2×10－3rad的要求。

2)在成橋恒載+橫向風力+整體升溫27℃工況下，跨中橫向最大位移是4.8 cm，規范要求小于630/ 4 000=0.15 m，滿足要求。在各種不利條件下，結構各部分剛度及變形皆滿足要求，因此結構總體剛度驗算滿足要求。

此外，分析橋塔結構受力行為，結果表明在各個靜力工況下，壓應力最大值在下橫梁的各個截面處為最大，并且在這些工況下橫梁有較大的富余量。對該橋塔的穩定性分析得出，三維橋塔的順橋向穩定系數為6.189，橫橋向的穩定系數為28.801，均大于4，滿足規范要求的穩定系數。

4 結語

1)在成橋恒載+活載(0.75×四線鐵路+六車道公路)工況下，主桁上下弦桿除中桁下弦在輔助墩處應力為195 MPa外，其余均在150 MPa以內，滿足規范要求。且各工況下各個桿件的最不利部位強度有較大的富余，可保證結構在整體受力過程中的穩定安全。

2)在成橋恒載工況和成橋恒載+活載(0.75×四線鐵路+六車道公路)工況下，邊索面斜拉索最大應力是724 MPa，滿足規范(744 MPa)要求;斜拉索的應力幅滿足規范要求(＜250 MPa)。

3)結構整體剛度計算鐵路橋面的撓跨比為1/560，主跨跨中最大撓度為112.3 cm，梁端轉角是1.98×10－3rad，跨中橫向最大位移為4.8 cm，均滿足規范要求。

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(責任審編趙其文)

U448.27;U441+.5

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2015．04．10

1003-1995(2015)04-0034-03

2014-05-04;

2015-01-15

馬馳(1985—)，男，甘肅文縣人，助教，博士研究生。