沈陽市東塔跨渾河橋總體靜力計算分析

于海賓

（沈陽市市政工程設計研究院，遼寧 沈陽 110015）

橋梁結構

沈陽市東塔跨渾河橋總體靜力計算分析

于海賓

（沈陽市市政工程設計研究院，遼寧 沈陽 110015）

沈陽市東塔跨渾河橋為雙塔雙索面自錨式懸索橋，主橋跨徑布置為40+90+220+90+40=480 m，橋塔為鋼桁架橋塔，造型獨特優美。現以東塔跨渾河橋為實例，利用Midas/civil計算軟件，介紹了自錨式懸索橋的總體計算過程，以及要點分析。

自錨式懸索橋；總體靜力計算；鋼桁架橋塔

1 工程概述

某工程位于沈陽四塔之一的東塔以南2 km處，故取名東塔跨渾河橋。它處于渾河南岸通往市區的王家灣橋與長青橋之間。主橋為五跨連續鋼桁架橋塔自錨式懸索橋，跨徑布置為40+90+220+ 90+40=480（m），主纜垂跨比為1/5.5。主橋在有索區寬度為43.3 m，無索區及引橋均為40 m（見圖1、圖2）。

圖1 東塔跨渾河橋效果圖

圖2 東塔跨渾河橋立面圖

橋梁為半漂浮體系，結構體系約束情況為：索塔兩側牛腿上設置一個單向支座和一個雙向支座；在牛腿與主梁之間設置粘滯阻尼器，在主梁與橋塔間設置橫向限位支座；錨固跨橋墩分別設置一個單向支座和一個雙向支座；兩端過渡墩上各設置兩個雙向支座。

2 結構總體靜力計算分析

懸索橋靜力分析設計的工作主要分為兩個步驟：一是設計主纜及加勁梁系統；二是根據已經決定的主纜及加勁梁體系來設計索塔系統。本文計算模型基于有限位移理論，利用Midas/civil計算程序建立三維空間有限元模型進行計算分析。

2.1 主要材料及規格

2.1.1 主纜

采用直徑φ5.0，公稱抗拉強度1 670 MPa的高強度鍍鋅鋼絲。每根主纜共有19股索股，每根索股由127根φ5.0的高強鍍鋅鋼絲組成（見圖3）。

圖3 主纜及索股斷面圖

2.1.2 吊桿

每根吊索由19根φs15.2鋼絞線組成，標準抗拉強度1 860 MPa，全橋吊索采用同一種規格。

2.1.3 鋼箱梁

鋼箱梁采用Q345D鋼材，彈性模量為2.06× 105MPa。

2.1.4 橋塔

橋面以下9.5 m處為鋼/混凝土分界線，分界線以上為鋼結構，采用Q345D鋼材，分界線以下塔身與承臺均為現澆混凝土結構，塔身混凝土為C50混凝土。

2.2 結構離散

懸索橋主纜及吊索的抗彎剛度較小，其受力主要是受拉，可以采用空間索單元進行模擬；橋塔及加勁梁可以作為空間梁單元模擬，加勁梁的空間桿系模型采用“魚骨式”形式，通過剛性連接將吊索下錨固點與加勁梁節點進行連接，模型邊界條件按照實際設計約束進行模擬。

2.3 主要荷載

2.3.1 永久作用

自重：包括主纜、吊索、索夾、主纜防護、纜索附屬、索鞍、散索套、索塔、加勁梁、橋面系的自重。

基礎變位：主塔下基礎為-20 mm，其余各橋墩基礎為-5 mm。

2.3.2 可變作用

溫度作用：設計合攏溫度為5～15℃，鋼加勁梁、主塔鋼結構段、主纜、吊桿體系升溫采用41℃，體系降溫采用-58℃；主塔混凝土段升溫采用29℃，體系降溫采用-38℃。

風荷載:按橫橋向和縱橋向分別考慮，根據《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/T D60-01-2004）進行計算。

汽車荷載:汽車荷載為城-A級，8車道。

人群荷載:2.5 kN/m2。

2.4 用Midas/civil建立模型

2.4.1 建立懸索橋初始平衡狀態模型

Midas/civil中提供了建模助手功能。該功能可幫助使用者快速建立懸索橋初始平衡狀態模型。但是在使用過程中需要注意，為了盡量使懸索橋助手建立的模型貼近實際，可在“橋面系單位重量”中輸入預估的吊索力，如圖4所示。預估的吊索力可以通過建立全橋梁單元模型，在模型中除了設置正常支座之外，在所有吊索位置均添加一個豎向支撐，每個豎向支撐的反力就是該處橫向兩根吊索的合力，這樣在“懸索橋分析”過程中模型更接近于實際情況，模型分析收斂誤差更小。

2.4.2 建立懸索橋成橋狀態

在懸索橋建模助手建立的模型基礎上，按照工程實際情況建立三維空間有限元模型，并添加二期荷載，刪除初始平衡狀態模型中的“非線性分析數據”。在“懸索橋分析控制”對話框中添加垂點組與更新節點組，同時定義自重荷載工況，運行分析后得到懸索橋精確平衡狀態，成橋狀態對應成橋吊索力見表1所列。

圖4 橋面系單位重量圖示

表1 實際成橋吊索力與初始擬定吊索力對比一覽表

由表1可見，由于配跨的存在和主梁剛度、重量分布與建模助手中考慮的不同，同時該橋為自錨式懸索橋，實際成橋吊桿力與建模助手中輸入的吊索力是有差異的，是經過了重新分配的，但兩者之間差別較小。至此，懸索橋成橋狀態模型建立完成，如圖5所示。

圖5 橋梁空間有限元模型

2.4.3 建立懸索橋總體靜力分析模型

在懸索橋成橋模型基礎上，施加其他可變作用（汽車、人群、溫度、變位、風等），同時組合荷載工況即可進行總體靜力計算。

2.5 主要計算結果

2.5.1 主纜強度驗算

根據計算結果，主纜拉應力最大的位置為塔頂處8#單元處（邊跨側），其主要荷載效應結果見表2所列。

表2 主纜拉應力驗算表

由表2可以看出，按照承載能力極限狀態基本組合計算的主纜安全系數γ=1 670/799.1=2.09＞1.85，滿足規范要求。同時可以看出，在主纜所承受的荷載中，恒載、汽車荷載及人群荷載起到絕大多數作用，其中恒載在所有荷載中所占比重最大，約占所有荷載效應的80%以上，因此在懸索橋設計初期，可以根據相關教材按照橋面恒載手動近似計算得出擬定的主纜規格。

2.5.2 吊索強度驗算

吊索與主纜情況相似，其各部分荷載效應產生的結果所占比重與主纜相差較小，吊索拉應力最大的吊索位于主跨跨中處，按照承載能力極限狀態基本組合計算吊索的拉應力為678.5 MPa，吊索安全系數γ=1 860/678.5=2.74＞2.2，滿足規范要求。

2.5.3 加勁梁強度驗算

圖6至圖9為鋼加勁梁的主要應力結果。

圖6 鋼加勁梁上緣最大壓應力圖（MPa）

圖7 鋼加勁梁下緣最大壓應力圖（MPa）

圖8 鋼加勁梁上緣最大拉應力圖（MPa）

圖9 鋼加勁梁下緣最大拉應力圖（MPa）

由于自錨式懸索橋在加勁梁上錨固主纜，加勁梁承受主纜端部的巨大的水平分力，且全橋軸力變化很小，所以自錨式懸索橋的主梁拉應力一般可以控制得比較小。從圖8、圖9結果也可以看出，加勁梁上下緣最大拉應力均出現在輔助跨側。從圖6、圖7可以看出，上緣最大壓應力出現在主跨跨中處，下緣最大壓應力出現在索塔處，全橋鋼加勁梁最大壓應力為143.8 MPa，滿足規范要求。

2.5.4 主塔強度驗算

主塔是懸索橋承重結構的重要構架，是用以支承主纜并將荷載通過基礎傳遞給地基的結構。在成橋狀態下，主纜理論上只向主塔傳遞軸力作用，主塔的彎矩主要來自于可變荷載，主塔壓應力結果如圖10所示，壓應力最大位置位于塔根部內側，最大壓應力為181.6 MPa，滿足規范要求。

圖10 橋塔最大壓應力圖（MPa）

3 結語

城市橋梁在滿足交通功能的基礎上對于外觀的要求越來越高，懸索橋造型獨特，線形優美，同時受地質條件限制，自錨式懸索橋越來越多地被應用于城市橋梁的設計當中。本文通過沈陽市東塔跨渾河橋的實際案例，介紹了自錨式懸索橋總體靜力計算要點、方法，以及部分受力特點分析，為其他相似規模自錨式懸索橋提供參考。沈陽市市政工程設計研究院在設計完成后也多次召開專家會議，對一些重點問題展開論證，同時向其他有經驗的設計單位學習設計資料。目前該橋梁正在安全有序地進行施工，預計于2018年竣工通車。

U441+.5

B

1009-7716（2017）04-0056-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.017

2017-01-24

于海賓（1984-），男，遼寧鞍山人，高級工程師，從事橋梁工程設計工作。