基于有限元仿真模型的剛性懸索加勁鋼桁梁橋的受力性能

(浙江公路水運工程咨詢有限責任公司，浙江 杭州 310006)

剛性懸索加勁鋼桁梁橋作為一種新型的橋梁結構形式，結合了自錨式懸索橋和連續鋼桁梁橋的受力特點，既克服了傳統懸索橋剛度小、穩定性差的缺點，又繼承了鋼桁懸索橋建筑高度小、造型優美的優點，具有廣闊的應用前景。

相對于傳統鋼桁梁橋，該類橋型結構受力更為復雜。在整體上具有變高度鋼桁梁橋與自錨式懸索橋的受力特點；在局部上，剛性懸索與桁梁上弦桿的連接與傳統懸索橋截然不同，其設計計算與施工控制尚無現成資料可借鑒。此外，剛性懸索加勁鋼桁梁橋的施工過程伴隨著頻繁的體系轉換與內力調整，關鍵局部構件的受力性能及力流傳遞機制也不斷變化，對局部連接節點受力性能的精準模擬，往往成為決定該類橋型建造運營階段安全性與可靠性的關鍵。

基于此，為了系統研究此類橋型的整體受力行為與關鍵局部的傳力特性，本文以錢塘江新建大橋為依托工程，結合空間有限元建模方法，進行了整體結構的靜力分析與局部構件的穩定性驗算。

一、工程背景

錢塘江新建大橋跨度布置為（72+122+4×240+122+72）m，全長1348m。主梁為帶上加勁弦桁的板桁結合鋼桁梁結構，雙層橋面布置，上層為六車道一級公路，下層為雙線輕軌，線路中心間距4.2m。

主橋在各墩處均設置有豎向支承，除ZQ5墩外，均設有橫向支承，在中墩ZQ5處還設有縱向支承。鋼桁梁主桁架中心間距36.8m，全橋桁架基本為帶豎桿的華倫形桁架。桁高12m，全橋共132個節間，標準節間距10m。

該橋上層橋面為正交異性鋼板的板桁組合結構整體橋面，上層橋面板與弦桿的頂板通長連接，以實現板桁共同受力。下層橋面中間行車區域為正交異性鋼板。

錢塘江新建大橋采用的技術標準如下：設計活載等級：上層公路等級為Ⅰ級；下層兩線市域A型車。橋涵結構設計基準期：100年。橋梁設計安全等級：重要等級Ⅰ級，結構重要性系數γ0＝1.1。抗震設防烈度：7度。

二、有限元建模

錢塘江新建大橋主體為鋼結構，采用《鐵路橋梁鋼結構設計規范》(TB10091-2017)進行驗算，主要驗算內容包括全橋剛度、強度、疲勞、整體穩定、局部穩定等。基于鋼結構驗算方法，對主橋進行建模，計算模型采用空間模型。

（一）計算荷載

1.恒荷載

一期恒載：一期恒載包括主桁、鋼結構橋面自重，考慮隔板、節點板加大、加勁肋等因數。二期恒載：上層橋面二恒共計79.5kN/m；下層橋面二恒共計149.0kN/m。

2.活載

上層公路活載：強度、穩定計算采用公路Ⅰ級8車道荷載；主桁疲勞驗算采用I型。下層輕軌活載：強度、穩定計算采用市域A型車，6輛編組；主桁疲勞驗算采用單線加載，乘以雙線系數。

3.溫度作用

鋼橋面與主桁溫差：15℃。整體溫度：最高氣溫取42.9℃，最低氣溫取零下17.4℃。

4.支座沉降

支座沉降量按20mm計算。

三、結果分析

（一）主桁分析

由于主橋聯長桿件眾多，故以典型桿件為例給出主桁長細比、局部穩定、強度、整體穩定、疲勞驗算結果。主桁剛度分析如表1所示，主桁長細比及局部穩定驗算如表2所示，主桁強度、整體穩定驗算如表3所示，主桁疲勞驗算如表4所示。由表可知，上層公路剛度大于1/500，下層輕軌剛度大于1/1000；梁端轉角為0.415‰，主桁剛度滿足規范要求。全橋主桁桿件強度、整體穩定驗算滿足要求。全橋主桁桿件長細比、局部穩定、整體穩定、強度、疲勞驗算均滿足規范要求。

表1 上層公路及下層輕軌的剛度

表2 主桁長細比及局部穩定驗算

表3 主桁強度、整體穩定驗算

表4 主桁疲勞驗算

（二）施工階段驗算

主橋施工階段如下：兩側施工拼裝平臺及臨時墩，拼裝第一部分鋼梁及導梁。拼裝—頂推—再頂推，重復進行。拆除導梁繼續頂推完畢；采用頂落梁、縱移梁措施達到鋼桁梁標準合龍。安裝剛性懸索及吊桿至合龍口，利用頂落梁措施保證剛性懸索標準合龍，拆除臨時墩，主橋上部結構施工完畢。針對最不利頂推工況進行驗算，驗算結果如下。

1.最不利頂推工況驗算：縱向抗傾覆驗算

假設左側鋼桁梁梁段重量為G1，梁段重心距離傾覆點為L1；右側14m鋼桁梁梁段和56m導梁的重量之和為G2，重心距離傾覆點為L2；施工期間抗傾覆要求為：G1xL1＞1.3xG2xL2；根據模型反力計算結果，結合力矩平衡；縱向抗傾覆安全系數：（G1xL1）/（G2xL2）=4.14，大于1.3的安全系數要求。

2.其他驗算

對施工期間桿件長細比、局部穩定性、桿件強度、整體穩定進行驗算，均滿足規范要求。綜上所述，主桁在最不利頂推階段的各項驗算均符合規范要求，結構安全。

四、結語

基于對錢塘江新建大橋的有限元分析，結合鋼結構設計規范，針對最不利頂推工況對主桁進行了驗算分析，分析得到以下結論：結構剛度、梁端轉角滿足規范要求；運營期間主桁桿件長細比、局部穩定、整體穩定、強度、疲勞滿足規范要求；頂推施工最不利階段縱向抗傾覆系數大于規范要求的安全系數1.3，桿件施工期間滿足長細比、局部穩定、強度、整體穩定的驗算要求。本文介紹的設計計算要點可為同類橋型設計、施工提供參考。