某斜拉桥结构设计及检算

某斜拉桥结构设计及检算
马渊
【摘要】以某斜拉桥为工程背景,介绍该桥的设计要点,运用有限元软件BSAS,建立有限元模型,对该结构运营阶段承载能力极限状况下承载力和效应标准组合下混凝
土最大正应力进行验算,结果表明:运营阶段各主梁各截面均处于受压状态,主梁各截面的内力值小于承载能力极限值,均满足规范要求,效应标准组合下荷载下斜拉桥混
凝土最大正应力均小于规范允许值,该斜拉桥各构件的设计和材料参数取值合理.由
于该桥截面的特殊性,其箱梁扭转畸变效应将会较大,且桥面宽大会造成箱梁剪力滞
效应相应较明显,需要引起足够的重视.
【期刊名称】《甘肃科技纵横》
【年(卷),期】2018(047)008
【总页数】5页(P48-51,96)
【关键词】斜拉桥;结构设计;BSAS;检算
【作者】马渊
【作者单位】中国市政工程华北设计研究总院有限公司,天津 300202
【正文语种】中文
【中图分类】U446.1
1 工程概况
斜拉桥又称斜张桥,是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁,是由承压的塔、
受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。

其可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁。

其可使梁体内弯矩减小,降低建筑高度,减轻了结构重量,节省了材料。

斜拉桥主要由索塔、主梁、斜拉索组成［1-2］。

泉州侧桥台台尾里程为
K5+56.48,南安侧桥台台尾里程为K5+453.52,桥梁全长397.04m,其中联台大桥主桥长度为300 m,主桥主跨中心里程为K5+240.0,桥型采用（82+136+82m）双塔单索面部分斜拉桥。

引桥长度泉州侧为33.55m,南安侧为63.55m。

主桥和引桥桥面宽度均为30.5m［3］。

桥梁总体布置图见图1。

图1 桥梁总体布置图（单位：cm）
2 主桥设计要点
2.1 主桥箱梁结构
梁体为单箱三室变高度斜腹板箱型截面,主跨（136m）墩顶处梁高4.5m,跨中处梁高及边跨直线段采用2.6m,中跨及边跨梁底曲线线型采用二次抛物线。

箱梁箱顶宽28.5m,单侧悬臂长5m,主跨根部箱底宽15.428 m,跨中处梁高及边跨直线段箱底宽16.948m。

箱梁外侧腹板采用斜腹板,斜腹板斜率为2.423∶1,厚度50 cm（在边跨梁端和中支点处局部加厚）；中间腹板为直腹板,厚度为30 cm（在边跨梁端和中支点处局部加厚）,腹板中心距1.9m。

底板由箱梁根部60 cm渐变至跨中及边跨直线段25 cm。

主跨跨中截面断面图见图2。

图2 主跨跨中断面图（单位：cm）
2.2 预应力、主塔及斜拉索结构设计
箱梁纵向采用全预应力理论设计,钢绞线采用符合GB/T5224标准φs15.2mm高强低松弛钢绞线,标准抗拉强度f pk=1 860 MPa,配套群锚锚具锚固。

顶板T束（T7为精扎螺纹钢筋）、边跨底板束及部分中跨底板束采用12φs15.2mm钢绞线,顶板连续束和部分中跨底板束采用15φs15.2mm钢绞线,内径φ90mm波纹管成孔,M5-15、M5-12锚具锚固；钢绞线均采用双端张拉,张拉时锚下控制应力
σcon=0.75f pk.。

桥塔为钢筋混凝土矩形截面,主跨塔高（梁顶以上17m）,塔柱
均采用矩形截面,顺桥向长3.0m,横桥向宽2.0m,表面装饰处理。

桥塔底部顺桥面行车道两侧设置车辆防撞设施。

斜拉索采用钢绞线索,每根拉索采用61根
φj15.2mm镀锌钢绞线,单索面布索,桥塔位于桥面中间,利用中央分隔带为拉索的锚固区,塔上竖向索间距0.7m,箱梁上索间距4.0m。

斜拉索锚固在箱梁中部,在每个锚固点处,横桥向并排设置两根拉索,梁上横桥向间距0.9m。

主塔处设置10对斜拉索,斜拉索标准抗强度f pk=1 770MPa。

采用相应型号钢绞线拉索锚具锚在桥塔及主梁上锚固,梁上为张拉端。

拉索采取低应力防腐措施,每股拉索钢丝外层采用双层HDPE防护。

3 结构计算参数
混凝土收缩徐变按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJD62-2004）附录四计算。

瞬时徐变系数：fa=0.8滞后徐变系数,fd=0.4。

环境相对湿
度为0.80；混凝土加载龄期为7 d,终极龄期为1 500 d。

桥梁合拢温度按10～15℃考虑,偏于安全地取结构整体升温按20℃,降温按25℃（不含混凝土收缩徐变影响）计算,桥面板
升温根据公路规范取值。

混凝土线膨胀系数0.000 01,斜拉索线膨胀系数0.000 012,斜拉索与主梁、桥塔温差按±15℃设计,桥塔左右侧温差可采用±5℃。

桥墩基
础不均匀沉降值取2 cm,取最不利组合进行设计。

每套挂篮（含人群、机具重）重暂按1 200 kN考虑。

冲击系数取为0.05。

4 有限元模型的建立及荷载组合
运用有限元软件BSAS建立有限元模型如图3、4所示,对箱梁进行运营阶段的纵向内力和效应标准组合下混凝土最大正应力分析,其荷载组合见表1所列［4-6］。

表1 荷载组合荷载组合编号Ι Ⅱ Ⅲ Ⅳ荷载组合结构重力+活载+预加应力荷载Ι+
温度荷载+风力+制动力结构重力+预加应力荷载+收缩徐变+地震荷载施工荷载+
阶段收缩徐变
图3 联台桥左边幅计算结构简图
图4 联台桥右半幅计算结构简图
5 结构检算
5.1 运营阶段承载能力极限状况下承载力验算
在公路-Ⅰ级及人群荷载作用下,承载能力极限状况下截面的内力值及承载能力见表2（表中承载能力值为绝对值）。

运用有限元软件BSAS建立有限元模型,对箱梁再运营阶段的纵向内力进行计算,通过分析表2中数据可知：全桥85个单元在荷载作用下,主梁各截面的内力值均小于承载能力极限值,结构安全。

5.2 效应标准组合下混凝土最大正应力验算
本论述混凝土最大正应力验算,根据《JTG D62-2004》第7.1.5条,要求压应力（受压为正）σc=σkc+σpt≤0.5f ck,运用有限元软件BSAS建立有限元模型,对箱梁在效应标准组合下混凝土最大正应力进行计算,通过分析,由表3可知：效应标准组合下混凝土最大正应力小于规范允许值。

表2 运营阶段承载能力极限状况下正截面承载力单元编号1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43内力值0.00-1 821.36 12 625.81 60 235.77 113 567.84 148 986.11 160 212.06 172 392.58 173 262.38 168 632.02 19 439.72 25 758.58 31 939.11 38 052.16 65 383.09 73 575.20 81 417.55 88 872.13 88 902.14 89 196.44 89 313.03 89 319.47 89 431.02 89 130.13 89 915.33 89 975.06 89 969.84 89 923.65 89 813.73 88 478.39 88 193.38 80 419.66 72 271.27 45 403.47 39 562.00 33 523.42 27 305.39 237 627.77 265 656.22 293 020.19 317 274.00 339 602.22 349 152.03承载能力极限值91 242.16 75 416.87 95 129.96 96 889.56 187 519.03 187 503.78 187 649.33 190 151.62
191 919.56 194 728.48 27 339.90 37 942.91 58 710.90 813 96.73 123 841.27 145 050.20 167 038.16 190 375.80 183 079.27 178 524.16 171 384.52 166 901.38 179 070.08 156 085.41 145 413.59 159 036.77 185 498.81 176 118.06 186 551.61 206 543.28 239 332.92 229 620.41 225 071.28 107 134.44 73 218.16 54 764.76 41 733.07 311 102.72 337 651.66 363 421.25 356 783.44 394 306.34 392 886.12受力特点内力M内力M内力M内力M内力M内力M内力M内力M内力M内力N内力N内力N内力N 内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力M内力M内力M内力M单元编号44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85——内力值349 197.44 339 656.31 319 728.22 295 791.56 268 062.03 27 688.82 33 850.45 39 923.72 45 782.29 51 411.34 80 053.81 87 835.85 88 172.68 88 460.26 89 796.80 89 899.98 90 034.14 89 945.52 89 075.13 89 103.76 89 257.85 89 436.55 89 286.33 89 169.73 88 875.43 81 354.39 73 515.20 65 326.41 56 812.70 31 868.36 25 697.11 19 389.39 156 526.09 166 274.27 171 155.80 172 526.66 160 316.66 149 075.91 113 626.40 60 263.08 12 630.97-1 821.37——承载能力极限值392 983.47 352 748.56 356 739.94 363 430.69 337 719.84 39 443.99 52 490.89 66 457.89 86 858.07 125 806.54 242 124.80 248 064.52 241 492.33 214 004.17 186 577.89 176 260.72 179 070.08 159 011.64 144 225.73 156 063.31 176 497.38 161 536.14 169 389.88 178 922.28 182 360.73 163 954.17 150 811.20 130 168.96 110 031.34 65 824.97 45 919.80 31 181.68 197 724.44 194 750.72 191 930.70
188 245.94 187 525.88 187 514.64 187 518.97 96 889.56 95 129.96 75 416.87——受力特点内力M内力M内力M内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N内力N 内力N内力N内力N内力N内力M内力M内力M内力M内力M内力M内力M内力M内力M——
表3 效应标准组合下混凝土最大正应力单元编号1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43上缘正应力/MPa 1.79 1.71 2.15 5.28 6.88 9.06 9.97 12.90 13.19 13.19 12.38 11.34 10.17 9.78 9.32 8.86 8.35 8.92 8.94 9.50 10.79 12.27 11.64 8.24 6.10 8.28 9.65 9.96 8.46 8.19 7.75 6.25 6.97 7.76 8.48 9.41 10.22 11.20 12.45 13.95 15.56 14.65 14.84下缘正应力/MPa 3.68 3.86 3.59 2.96 7.12 7.75 7.82 7.93 9.51 11.22 13.29 15.06 16.68 15.62 15.18 12.99 11.17 9.46 8.43 8.63 8.89 8.96 7.46 8.14 7.28 8.09 7.74 8.89 8.49 7.53 6.70 7.98 8.98 10.07 12.28 13.01 14.32 14.47 14.70 14.27 12.15 11.23 10.58应力限值/MPa 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75——单元编号44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85——上缘正应力/MPa 15.22 17.06 16.01 14.39 12.98 11.71 10.72 9.89 8.95 8.23 7.42 8.80 9.76 10.13 11.23 12.58 11.80 8.28 6.10 8.24 9.49 9.66 8.02 7.57 6.93 6.38 7.90 8.39 8.85 9.30 9.69 10.86 11.90 12.70 12.76 10.53 9.60 9.07 6.88 5.29 2.15 1.71下缘正应力/MPa
10.53 10.64 12.40 15.07 14.95 14.70 14.54 13.21 12.44 10.20 9.08 7.65 6.34 7.18 7.97 8.38 7.17 8.09 7.24 8.14 8.03 9.47 9.40 8.96 8.77 9.80 11.09 12.88 15.04 15.47 16.50 14.86 12.88 10.98 9.28 8.53 7.89 7.76 7.11 2.95 3.59
3.85——应力限值/MPa 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75 17.75——
6 结论
（1）通过建立有限元软件BSAS对斜拉桥施工过程的仿真计算得到运营阶段各主梁各截面均处于受压状态,主梁各截面的内力值小于承载能力极限值,均满足规范要求。

（2）效应标准组合下荷载下斜拉桥混凝土最大正应力均小于规范允许值。

（3）该斜拉桥各构件的设计和材料参数取值合理。

（4）由于该桥截面的特殊性,其箱梁扭转畸变效应将会较大,且桥面宽大会造成箱梁剪力滞效应相应较明显,需要引起足够的重视。

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