范自盛，潘 瑜

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院 安全與環(huán)境學(xué)院，福建 福州 350007)

0 引言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施迅速發(fā)展，綜合管廊、管線項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模也迅速擴(kuò)大，敷設(shè)越來(lái)越多樣化。當(dāng)管線敷設(shè)受到江河湖海等水域地理?xiàng)l件限制時(shí)，從節(jié)約成本、施工難易度及運(yùn)營(yíng)安全角度綜合考慮，管線過(guò)橋不失為一種重要的選擇方式，既能節(jié)約成本降低造價(jià)，又方便管線檢修維護(hù)，降低管線腐蝕的影響，越來(lái)越受到建設(shè)單位的認(rèn)可。

管線過(guò)橋也會(huì)帶來(lái)一系列安全性問(wèn)題，如對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)承載力的影響、橋梁與管道維保的問(wèn)題、管道爆管危害等方面[1]。而管線建成后其自重及其變動(dòng)荷載是否會(huì)對(duì)橋梁全橋受力性能造成影響，是管線過(guò)橋首要考慮的安全問(wèn)題。其中《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ 11-2011)及2019年3月24日修訂《城市道路管理?xiàng)l例》對(duì)橋上或地下通道管線敷設(shè)進(jìn)行了規(guī)范，要求確保橋梁或地下通道結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)安全[2]。但是如何確保橋梁及橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)安全，“規(guī)范”中尚未提出具體的評(píng)價(jià)指標(biāo)和計(jì)算方法。

目前，關(guān)于管線過(guò)橋的受力分析大都基于單一因素的分析計(jì)算或面上的簡(jiǎn)單分析判斷。張志東等建立一種斜拉索跨越管橋安全狀況評(píng)定方法[3]。孫建淵等基于水錘效應(yīng)，建立輸水管道水錘計(jì)算模型和斜拉橋動(dòng)力計(jì)算模型，得到水錘沖擊作用下斜拉橋主要構(gòu)件的動(dòng)力響應(yīng)[4]。莊小將等通過(guò)進(jìn)行水荷載引起的撓度及應(yīng)力、過(guò)橋水管動(dòng)載作用分析等對(duì)管道過(guò)橋的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜、動(dòng)力影響分析[5]。

本文將以工程為實(shí)證，基于有限元建立過(guò)橋管道的斜拉橋數(shù)字計(jì)算模型，分析管線過(guò)橋荷載及荷載組合變化，模擬分析掛管荷載對(duì)全橋受力性能的影響。探索建立過(guò)橋管道的斜拉橋全橋受力性能數(shù)值模擬的通用模型，為其他管道過(guò)橋項(xiàng)目方案制定提供借鑒。

1 模型的建立

1.1 工程簡(jiǎn)介

本陸島連接橋主橋?yàn)殡p索面斜拉橋，采用主跨為66 m的四跨連續(xù)梁獨(dú)塔，主橋跨徑為204 m。兩側(cè)引橋分別采用330 m和150 m預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，全橋長(zhǎng)685.44 m。

索塔采用“城市之光”設(shè)計(jì)方案，為混凝土塔外包鋼外殼，上部采用雙主梁肋板式結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁。斜拉索為空間對(duì)稱雙索面，采用平行鋼絲索，冷鑄墩頭錨具，塔上采用鋼絞線環(huán)向預(yù)應(yīng)力錨固。

掛管工程采用雙管掛橋敷設(shè)，污水管管徑DN400 mm，管材采用不銹鋼管，管道跨越橋梁布置如圖1所示、管道布置如圖2和圖3所示。

圖1 雙魚(yú)島陸島橋掛管平面布置圖

圖2 樁號(hào)K0+335.96～K0+950段掛管位置圖(單位：cm)

圖3 樁號(hào)K0+325.360～K0+335.96及K0+950～K1+010.64段掛管位置圖(單位：cm)

1.2 有限元模型建立

采用MIDAS/Civil軟件，建立空間桿系單元模型計(jì)算。主梁結(jié)構(gòu)為π形梁，采用雙主梁模型進(jìn)行模擬，主梁橫梁及橫隔梁作為雙主梁的橫向連接構(gòu)件，主梁、橫梁及橫隔梁按規(guī)范考慮翼緣的有效寬度后均采用梁?jiǎn)卧Ｖ魉捎昧簡(jiǎn)卧?，斜拉索采用桁架單元建立。斜交梁橋試?yàn)?zāi)Ｐ蛶缀纬叽缂安牧蠀?shù)見(jiàn)表1，主要材料力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 斜交梁橋試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛶缀纬叽缂安牧蠀?shù)

表2 斜交橋模型主要材料力學(xué)指標(biāo)

建立主橋有限元模型見(jiàn)圖4所示。

圖4 整體有限元模型圖

建立主橋有限元模型后，需要根據(jù)掛管工程的施工階段和運(yùn)營(yíng)階段的荷載變化，進(jìn)行荷載組合，分析結(jié)構(gòu)在不同階段的應(yīng)力、內(nèi)力和位移，分析比對(duì)規(guī)范規(guī)定的各項(xiàng)容許指標(biāo)，驗(yàn)算掛管工程對(duì)斜拉橋的全橋受力性能造成的影響，分析結(jié)構(gòu)受力是否滿足安全要求。

1.3 荷載與荷載組合分析及設(shè)定

(1) 永久荷載

在充分考慮橋梁已有的永久荷載，包括橋梁主體結(jié)構(gòu)自重，橋面鋪裝、人行道、護(hù)欄等恒載。充分考慮過(guò)橋管線帶來(lái)的永久荷載，從安全的角度考慮管線永久荷載，統(tǒng)計(jì)計(jì)算兩根污水管滿水的總荷載作為管線永久荷載。由于管道及其支架導(dǎo)致橋梁迎風(fēng)面變大的問(wèn)題，充分考慮風(fēng)荷載引起掛管振動(dòng)對(duì)橋梁產(chǎn)生的影響，掛管荷載按1.3的放大系數(shù)設(shè)定，并把荷載平均分配在翼緣的兩點(diǎn)上。

(2) 可變荷載

在考慮橋梁已有的可變荷載，包括汽車荷載、有軌電車荷載、人群荷載、自行車、設(shè)計(jì)風(fēng)速、溫度荷載等荷載的基礎(chǔ)上，考慮在掛管施工及橋梁檢修時(shí)在橋梁外側(cè)車道可能會(huì)應(yīng)用橋檢車，考慮16 m橋檢車荷載。

(3) 荷載組合

為系統(tǒng)的分析各種荷載組合的效應(yīng)，依照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》JTG D60-2015等規(guī)范的要求，本模型進(jìn)行了承載能力極限狀態(tài)基本組合、正常使用極限狀態(tài)頻遇組合、正常使用極限狀態(tài)準(zhǔn)永久組合、彈性階段組合的分析，其中作用效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)以及荷載組合系數(shù)均按規(guī)范要求取值[6]。具體組合如下：

① 承載能力極限狀態(tài)基本組合

② 正常使用極限狀態(tài)頻遇組合

③ 正常使用極限狀態(tài)準(zhǔn)永久組合

④ 彈性階段組合

2 掛管荷載對(duì)全橋受力性能的影響分析

污水掛管布置在主梁?jiǎn)蝹?cè)，共兩根，本分析考慮兩根污水管同時(shí)滿水的最不利情況進(jìn)行分析。

2.1 對(duì)主梁受力性能的影響

根據(jù)模型計(jì)算，最不利掛管荷載作用下，主梁的位移如圖5所示。可以看出掛管荷載對(duì)主梁位移的影響較小，最大豎向位移量為0.75 mm，最大橫向位移量為0.17 mm。

圖5 最不利掛管荷載作用下主梁位移圖

最不利掛管荷載作用下，主梁的內(nèi)力圖如圖6所示。下部受拉為正(上部受壓)，上部受拉為負(fù)(下部受壓)，可得到支點(diǎn)最大負(fù)彎矩為-3009.1 kN·m，跨中最大正彎矩為1322.4 kN·m，最大剪力為253.9 kN(標(biāo)準(zhǔn)值)。

圖6 最不利掛管荷載作用下主梁內(nèi)力圖

最不利掛管荷載作用下，主梁上下緣的應(yīng)力如圖7所示?？傻玫缴暇壸畲罄瓚?yīng)力為0.11 MPa，出現(xiàn)在主塔支點(diǎn)處；下緣最大壓應(yīng)力為 -0.25 MPa，也出現(xiàn)在主塔支點(diǎn)處。

圖7 最不利掛管荷載作用下主梁應(yīng)力圖

2.2 對(duì)主塔受力性能的影響

最不利掛管荷載作用下，主塔的位移如圖8所示?？梢钥闯鰭旃芎奢d對(duì)主塔位移的影響較小，最大豎向位移產(chǎn)生在下塔柱底，位移量為0.135 mm；最大橫向位移產(chǎn)生在上塔柱中間，位移量為0.266 mm。

圖8 最不利掛管荷載作用下主塔位移圖

最不利掛管荷載作用下，主他的內(nèi)力圖如圖9所示?？傻玫街魉畲髲澗禺a(chǎn)生在靠近掛管測(cè)的塔柱底部，彎矩為3194 kN·m；最大剪力產(chǎn)生在靠近掛管測(cè)下塔柱橫梁，剪力為467 kN；最大軸力產(chǎn)生在靠近掛管測(cè)下塔柱底部的壓力，軸力為-653 kN。

圖9 最不利掛管荷載作用下主塔內(nèi)力圖

最不利掛管荷載作用下，主塔兩側(cè)的應(yīng)力如圖10所示?？傻玫街魉筷憘?cè)最大壓應(yīng)力產(chǎn)生在靠近掛管測(cè)的塔柱底部，應(yīng)力大小為-0.21 MPa；靠島側(cè)最大拉應(yīng)力產(chǎn)生在靠近掛管測(cè)的下塔柱橫梁，應(yīng)力大小為0.13 MPa。

圖10 最不利掛管荷載作用下主塔應(yīng)力圖

3 結(jié)論

(1) 通過(guò)建立過(guò)橋管道的斜拉橋全橋受力性能有限元計(jì)算模型分析計(jì)算，分別得出了掛管荷載對(duì)主梁和主塔的受力性能影響，通過(guò)比對(duì)該橋梁原有的設(shè)計(jì)和規(guī)范的要求，掛管荷載對(duì)主梁和主塔的受力性能(位移、內(nèi)力、應(yīng)力)均滿足《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2015)等規(guī)范要求，影響較小。

(2) 通過(guò)計(jì)算分析，不僅明確了過(guò)橋管道對(duì)主梁和主塔的影響，還明確了最不利掛管荷載作用下，最不利的作用點(diǎn)。如主梁上緣最大拉應(yīng)力為0.11 MPa，出現(xiàn)在主塔支點(diǎn)處；下緣最大壓應(yīng)力為-0.25 MPa，也出現(xiàn)在主塔支點(diǎn)處。主塔最大豎向位移產(chǎn)生在下塔柱底，位移量為0.135 mm；最大橫向位移產(chǎn)生在上塔柱中間，位移量為0.266 mm。主塔最大彎矩產(chǎn)生在靠近掛管測(cè)的塔柱底部，彎矩為3194 kN·m；最大剪力產(chǎn)生在靠近掛管測(cè)下塔柱橫梁，剪力為467 kN；最大軸力產(chǎn)生在靠近掛管測(cè)下塔柱底部的壓力，軸力為-653 kN。主塔靠陸側(cè)最大應(yīng)力產(chǎn)生在靠近掛管測(cè)的塔柱底部，壓應(yīng)力大小為-0.21 MPa；靠島側(cè)最大應(yīng)力產(chǎn)生在靠近掛管測(cè)的下塔柱橫梁，拉應(yīng)力大小為0.13 MPa。

(3) 本文從斜拉橋全橋受力性能的角度進(jìn)行了模擬計(jì)算，為進(jìn)一步系統(tǒng)分析過(guò)橋管道對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全的影響，還需要研究過(guò)橋管道對(duì)橋梁主梁、主塔、斜拉索等局部荷載的影響，并進(jìn)行受力驗(yàn)算。