楊毅輝　耿文賓　陶憲坤　劉娜

【摘? ? 要】：針對(duì)大跨度鋼桁梁懸索橋成橋應(yīng)力復(fù)雜的問(wèn)題，采用 Midas Civil有限元分析軟件，以某在建公鐵兩用懸索橋?yàn)槔?，通過(guò)對(duì)大跨度公鐵兩用懸索橋關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)力和變形進(jìn)行力學(xué)分析，提出大跨度公鐵兩用懸索橋成橋狀態(tài)和運(yùn)營(yíng)階段關(guān)鍵部位力學(xué)特點(diǎn)，判定結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。

【關(guān)鍵詞】：公鐵兩用；懸索橋；大跨度；受力分析

【中圖分類號(hào)】：U448.25【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：C【文章編號(hào)】：1008-3197（2023）01-31-03

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.01.009

Design and Static Analysis of Long-span Highway-railway Suspension Bridge

YANG Yihui1， GENG WenBin1， TAO Xiankun1， LIU Na1

（1. China Construction Sixth Engnineering Division Co. Ltd.， Tianjin 300451， China； 2. Beijing Xinhangcheng Development and

Construction Co. Ltd.， Beijing 102611， China； 3. Beijing Dongtai Xiangbo Engineering Technology Co. Ltd.， Beijing 102606， China）

【Abstract】：Aiming at the complex stress issue of long-span steel truss suspension completed bridge， the paper adopts the Midas Civil finite element analysis platform and takes a highway-railway suspension bridge under construction as an example， Through the force analysis of the stress and deformation of key components， the paper proposes the mechanical characteristics of the key parts of the long-span highway-railway suspension bridge at the completion state and operation stage to determinethe structural safety state.

【Key words】：service for highway-railway； suspension bridge； long-span； force analysis

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和建造技術(shù)的進(jìn)步，橋梁建設(shè)技術(shù)水平大幅提升，橋梁的跨度越來(lái)越大。相比于斜拉橋，懸索橋的跨越能力更強(qiáng)，單跨最大跨徑已突破2 000 m[1]。近年來(lái)，公軌（鐵）兩用懸索橋受到了設(shè)計(jì)師和學(xué)者的廣泛青睞，與公路懸索橋相比，公軌（鐵）兩用懸索橋的起步要稍晚。公軌（鐵）兩用懸索橋?qū)儆诳臻g復(fù)雜、柔性大、超靜定結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)與施工難題多，目前還沒有統(tǒng)一的規(guī)范[2～4]，精確地對(duì)懸索橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析并研究關(guān)鍵部位的力學(xué)特性具有十分重要的意義。本文以實(shí)際工程為例，建立空間有限元模型，分析大跨度懸索橋成橋狀態(tài)和運(yùn)營(yíng)階段關(guān)鍵部位力學(xué)特點(diǎn)。

1 工程概況

某公軌兩用跨長(zhǎng)江大橋主橋?yàn)閮H主跨懸吊的雙塔三跨連續(xù)鋼桁梁懸索橋，鋼桁梁跨徑布置為75 m+720 m+75 m，上層是雙向8車道公路交通，下層是雙向2車道軌道交通。南北岸引橋均采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，其中北引橋跨徑布置為4×43 m，南引橋跨徑布置為3×43 m+4×43 m。見圖1。

主橋鋼桁梁采用三跨連續(xù)體系，在橋塔及端部設(shè)置豎向支撐，縱向不約束；橋塔處設(shè)置橫向抗風(fēng)支座及液壓黏滯阻尼器；在主跨跨中與主纜間設(shè)置柔性中央扣以提高結(jié)構(gòu)縱向剛度，減小列車高速制動(dòng)下的主梁縱向位移。

大橋主纜采用工藝成熟的平行鋼絲預(yù)制束股法（PPWS）制作和架設(shè)，其中主纜采用公稱直徑為5.25 mm、公稱抗拉強(qiáng)度為1 770 MPa的鍍鋅高強(qiáng)度鋼絲，其技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合設(shè)計(jì)及GB/T 17101—2008《橋梁纜索用熱鍍鋅鋼絲》的規(guī)定。

普通吊索和中央扣斜吊索采用公稱直徑為7.0 mm、公稱抗拉強(qiáng)度為1 770 MPa的鍍鋅高強(qiáng)度鋼絲，其技術(shù)指標(biāo)應(yīng)符合設(shè)計(jì)及GB/T 17101—2008的規(guī)定。

主桁構(gòu)件、橋面系構(gòu)件材質(zhì)主要為Q345qD、Q420qE兩種，板厚＜50 mm時(shí)采用Q345qD，板厚≥50 mm時(shí)采用Q420qE，應(yīng)符合GB 714—2015《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》的要求。高強(qiáng)度螺栓為10.9s級(jí)，螺栓、螺母、墊圈等均應(yīng)符合GB /T 1231—2006《鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈與技術(shù)條件》的要求。鋼板厚度應(yīng)符合GB/T 709—2006《熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及允許偏差》B類鋼板要求并對(duì)厚板按≮10%的比例進(jìn)行超聲波探傷。

鋼材的屈服強(qiáng)度σs根據(jù)GB 714—2015確定，設(shè)計(jì)安全系數(shù)K=1.7，容許應(yīng)力按照不同板厚?。郐摇?σs/K。

2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 整體標(biāo)準(zhǔn)

橋梁主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限100? a，其他損壞、修復(fù)不影響軌道交通正常運(yùn)營(yíng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50? a。鋼結(jié)構(gòu)防腐體系使用年限為20 a，支座主要構(gòu)件使用年限為50 a，伸縮縫主要構(gòu)件使用年限為40 a，易損構(gòu)件及其他附屬結(jié)構(gòu)使用年限為15 a。

地震基本烈度6度；地震動(dòng)峰值加速度：E1地震作用下，地震動(dòng)水平峰值加速度為0.088g；E2地震作用下，地震動(dòng)水平峰值加速度為0.127g。

設(shè)計(jì)風(fēng)速：離地面10 m 高，重現(xiàn)期100? a，10 min 平均最大風(fēng)速27.5 m/s。

設(shè)計(jì)水位：1/300的設(shè)計(jì)洪水位196.57 m，考慮三峽水庫(kù)運(yùn)行100 a泥沙淤積后最高通航水位192.00 m，最低通航水位155.64 m。

航道等級(jí)及通航標(biāo)準(zhǔn)：內(nèi)河Ⅰ-（2）級(jí)航道，單孔雙向通航，航道凈寬320 m，預(yù)留凈高24 m。

設(shè)計(jì)環(huán)境類別：Ⅰ類（溫?zé)岬貐^(qū)的大氣環(huán)境。與無(wú)侵蝕性的水或土接觸的環(huán)境）。

2.2 公路交通標(biāo)準(zhǔn)

道路等級(jí)為城市快速路；行車速度80 km/h；荷載標(biāo)準(zhǔn)為城-A級(jí)，人群荷載取值為2.875 kN/m2；橋面總寬37 m，其中人行道寬2.0 m、車行道寬15.5 m、隔離帶寬2.0 m，車行道15.5 m，人行道寬2.0 m；橋面橫坡2.0%，縱坡雙向均為0.5%。

2.3 下層軌道交通

雙向軌道交通最高設(shè)計(jì)運(yùn)行速度均為100 km/h，軌道間距5.2 m；采用八輛編組的As型車，最大軸重150 kN；軌道車站范圍內(nèi)活荷載8 kN/m2（設(shè)備區(qū)）、4.0 kN/m2（公共區(qū)）；軌道縱坡雙向均為0.5%；軌面以上凈高7.0 m。

3 模型建立

采用 Midas Civil 2021軟件建立有限元模型。采用僅受拉的索單元對(duì)主纜、吊桿進(jìn)行模擬；采用考慮剪切的空間梁?jiǎn)卧獙?duì)鋼桁梁進(jìn)行模擬；主塔和鋼桁梁橫向主梁考慮截面變化，采用變截面梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。全橋計(jì)算模型共建立5 286個(gè)節(jié)點(diǎn)，梁、索單元共計(jì)11 802個(gè)。見圖2和表1。

有限元模型中未對(duì)錨碇和主塔塔根進(jìn)行建模模擬，為簡(jiǎn)化建模直接采用 6個(gè)自由度受約束的一般支承邊界條件，對(duì)4個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)構(gòu)成固定端；鋼桁梁在橋塔和梁端位置處采用彈簧單元對(duì)豎向支座進(jìn)行模擬，吊桿與鋼桁梁之間的連接采用剛性連接。

4 結(jié)構(gòu)分析

4.1 主纜

主纜單根索股采用127絲5.25 mm鋼絲，共135股，截面面積A=371 147.02（mm2）。對(duì)成橋和運(yùn)營(yíng)階段的主要組合應(yīng)力狀態(tài)下主纜強(qiáng)度進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)安全系數(shù)要求≮2.5。見圖3和圖4。

運(yùn)營(yíng)階段主纜軸向拉力最大，為245 290.6 kN，主纜計(jì)算出來(lái)得最小安全系數(shù)γ=1 770×371 147.02 / （249 277×10）=2.64>2.5，主纜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 吊桿

吊索采用工藝成熟的預(yù)制平行鋼絲束，單根靠塔側(cè)南北岸對(duì)稱的4根吊索由139絲?7mm 鍍鋅高強(qiáng)鋼絲構(gòu)成，其他吊索由109絲?7mm 鍍鋅高強(qiáng)鋼絲構(gòu)成，采用鋼絲的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度1 770 MPa。吊索在成橋和運(yùn)營(yíng)階段時(shí)主要荷載組合作用下，其設(shè)計(jì)強(qiáng)度安全系數(shù)≮3.0。見圖5和圖6。

運(yùn)營(yíng)階段時(shí)計(jì)算的吊桿軸向拉力最大，為4 856.7 kN，吊桿最小安全系數(shù)γ=18 936 /4 856.7=3.90>2.5，吊桿強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 鋼桁梁主要桿件

鋼桁梁最大應(yīng)力約210.9 MPa，發(fā)生在中跨最中間吊索處斜支撐桿件上；在模型中鈍化掉中跨最中間吊索處斜支撐，鋼桁梁最大應(yīng)力約191.3 MPa，發(fā)生在主塔支座位置。見圖7和圖8。

可見懸索橋中跨跨中位置設(shè)置中央扣件對(duì)鋼桁梁受力有一定影響[5]。

4.4 變形

運(yùn)營(yíng)階段荷載作用下，主梁最大向下?lián)隙?1.231 m，小于設(shè)計(jì)建議限值L/400（L為梁的長(zhǎng)度），滿足設(shè)計(jì)要求。見圖9。

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用 Midas Civil有限元計(jì)算軟件對(duì)某在建長(zhǎng)江大橋公軌兩用懸索橋進(jìn)行計(jì)算分析，研究了該橋成橋狀態(tài)和運(yùn)營(yíng)階段關(guān)鍵部位力學(xué)特點(diǎn)，判定了結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均滿足設(shè)計(jì)要求，可為大跨度懸索橋設(shè)計(jì)提供參考。

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收稿日期：2022-05-24

課題名稱：中建股份科技研發(fā)課題（CSCEC-2021-Z-30）

通訊作者：楊毅輝（1979 - ）， 男， 高級(jí)工程師， 從事城市橋梁施工技術(shù)工作。