单索面斜拉桥内力分布特征及荷载传递机理研究

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世界桥梁2018年第46卷第％期（总第19%期）

单索面斜拉桥内力分布特征及荷载传递机理研究

徐龙，向晋举

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉430056)

摘

要

：为研究单索面斜拉桥的受力特性，以东水门长江大桥(采用正交异性钢桥面板的单索面斜拉桥）为背景，采用ANSYS

软件建立全桥三维有限元模型，计算上、下层桥面沿纵向和横向的轴力、剪力及弯矩分布规律，分析上、下层桥面及腹杆的最

大、最小主应力。结果表明：上层桥面沿纵向轴力和剪力在斜拉索及桥塔处取得极值，沿横向轴力变化不大，剪力和弯矩在中 纵梁处取得最大值;下层桥面沿纵向轴力在跨中及桥塔处取得极值，沿横向轴力变化不大，剪力和弯矩分别在桥面中部和侧 边取得最大值;受斜拉索索力影响，上层桥面锚箱附近易发生应力集中，应力向两侧均勻传递，下层桥面荷载主要通过腹杆 内、外侧进行传递，腹杆应力峰值在其两端与节点板连接处。

关键词：斜拉桥；单索面！钢桁梁；内力！荷载传递机理；应力集中；有限元法中图分类号：U 448. 27;U 441. 5

文献标志码：A

文章编号：1671 — 7767(2018)04 — 0062 — 05

1引言

随着城市轨道交通的建设，公轨两用桥得到了

迅速发展，尤其是公轨双层斜拉桥(其主梁多采用钢 桁梁[1])。针对斜拉桥的受力变形及设计关键技术， 已有研究人员开展了相关工作。郑清刚等[2]研究了 斜拉桥箱桁组合截面主梁的纵向应力沿横向分布规 律;邓晓光等[3]通过几何非线性的斜拉桥主梁节段 稳定性分析法，对某斜拉桥施工阶段的主梁稳定性 进行了分析;针对结构刚度指标和竖向静力刚度特 性，陈克坚等[4]和李永乐等[5]做了相关研究；李忠三 等[6]研究了多塔斜拉桥的力学行为特性；邵长宇 等[7]论证了大跨度双塔组合梁斜拉桥方案的可行 性，并指出设计主要控制因素；赖亚平等[8]对钢桁梁 横断面各设计因素等进行了比较和研究；针对大跨 度钢桁梁斜拉桥地震响应，阮怀圣等[9]进行了不同 结构抗震约束体系的响应分析；曾勇等[10]研究了单 索面钢桁梁独塔斜拉桥结构参数对最大悬臂状态下

桥梁动力特性的影响；叶锡钧等[11]建立A N S Y S 索 梁锚固区空间有限元模型，对钢锚箱、钢箱梁腹板以 及腹板附近的主梁单元进行局部模拟；秦勇等[12]对 主跨400 m 的叠合梁斜拉桥的中跨辅助合龙施工 技术进行了详细介绍和分析。

以上研究成果主要是针对常规的双索面斜拉 桥，针对单索面斜拉桥的研究较少，且在进行桥梁结 构建模时往往对结构进行了较大的简化，较难准确

反映各构件的局部受力特征。鉴于此，本文以东水

门长江大桥为工程背景，采用A N S Y S 有限元软件 建立全桥三维数值模型，分析桥面结构的内力分布 规律及荷载传递机理。

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工程概况

东水门长江大桥主桥为（222.5 + 445 + 190.5)

m 单索面斜拉桥(见图1)，位于重庆市渝中区半岛。

主梁采用钢桁梁，梁高为12 m 。斜拉索梁上锚点作 用于桥面中央钢锚箱上，其中斜拉索梁上间距为16

m ，塔上间距为3.8 m 。

图1东水门长江大桥主桥布置

该桥设计为公路和轨道两用'上层公路为双向

4车道，下层为双向轨道桥面，其标准宽度分别为24

m 和15 m 。桥面系统均采用正交异性钢桥面板，桥

面板厚24 mm ，通过间距为350 m m 的板肋加劲，沿 纵向布置横隔梁，并设置2组中心间距4.6 m 的轨 道纵梁。主桁主要杆件均为箱形截面，其中下弦杆 截面宽1 200 mm ，高1 600 mm ，板厚40 mm ;上弦

收稿日期：2017 —10 —10

作者简介：徐龙（981 —），男，高级工程师，2002年毕业于重庆交通大学桥梁工程专业，工学学士，015年毕业于武汉理工大学交通运输工程 专业，工程硕士（E -mail :xulong 561@sina . c o m )

。

单索面斜拉桥内力分布特征及荷载传递机理研究 徐龙，向晋举

63杆截面宽、高均为1 200 mm，板厚35 mm;腹杆截面

宽、高均为120" mm，板厚3" mm;横梁高1120

mm，厚16 mm;纵梁高1120mm，厚20mm。单个

构件最小长度约3m，最大约16 m，远远大于宽度

及厚度方向尺寸。桥梁结构的桥面系统、横梁、轨道

纵梁、主梁弦杆、腹杆等均采用Q345q D钢；钢桁梁

的上弦、下弦节点板及主桁锚箱等采用Q370q E钢。

3有限元模型

采用A N S Y S有限元软件建立全桥三维数值模 型(见图2)，分析桥梁结构在自重、恒载和车辆荷载 作用下的受力特征。采用三维壳单元（Shell63)模 拟桥面板、加劲肋、纵梁、横梁、箱形腹杆及上下弦杆 等，并根据钢板实际厚度设置壳单元厚度实常数;采 用实体单元(S〇lid45)模拟钢筋混凝土桥塔;斜拉索 采用受拉桁杆单元（Linkl0)模拟，在O P T IO N中设 置为只受拉不受压，并通过增加场变量的方式实现 预应力的张拉，预应力根据实际工程结构设计进行 取值。在考虑单元的连接方式时，斜拉索单元与中 纵梁、横梁与腹杆、加劲肋与桥面板等均采用固结，即假定不产生相对滑移。

图2桥梁三维数值模型及细部构造模型

根据实际约束情况，约束桥塔底部全部自由度；约束桥梁两端竖直方向的自由度，允许发生水平移 动。在数值模拟计算时，主要考虑自重、二期恒载、轨道荷载和公路荷载等。自重通过各类构件的实际 尺寸及相应的材料重度计算得到。上层桥面为公路 系统，下层轨道面为整体式道床，二期恒载分别综合 考虑为42. 8k N/m和66.9kN/m。此外，考虑轨道 荷载和公路荷载的组合作用：用0.75的折减系数乘 上公路荷载，然后按照最不利情况组合。

4计算结果及分析

根据该桥结构特征和对称性，选取1个纵向剖 面和6个横桥向剖面（见图3)进行内力分析，并选 取跨中斜拉索钢桁架梁结构进行传力分析。

4.1上层桥面内力分布规律

上层桥面内力沿纵向变化如图4所示。图4中D1〜D6表示桥梁关键位置，如跨中、近跨中的斜拉

图3桥面横桥向剖面位置及钢桁梁腹杆钢板编号示意索、桥塔等。

由图4可知，上层桥面轴力受斜拉索位置及桥 塔的影响较大，沿纵向出现较大波动，多数情况下轴 力为负值（即受压状态"受斜拉索及桥塔的影响，剪 力与弯矩也呈波动趋势，剪力在关键点处（跨中、桥 塔及斜拉索锚固点）出现极大值，峰值约1. 3X103 k N，弯矩幅值均较小。

上层桥面内力沿横向变化如图5所示。

由图5可知，各关键断面内力的变化趋势基本 一致。轴力受左右纵梁及中纵梁影响，仅出现小幅 度的波动，说明纵梁对于轴力的均匀分布发挥了较 好的控制作用。由于中部是斜拉索的传力区域，因此剪力及弯矩最大值均出现在中间区域。

通过对上层桥面内力沿纵向和横向的变化规律 进行研究，可以得出'沿桥梁纵向，轴力和剪力在斜 拉索及桥塔处取得极值，约为平均值的2倍;沿桥面 横向，轴力分布较均匀，剪力和弯矩在中纵梁处取得 最大值，约为平均值的3倍。

4.2下层桥面内力分布规律

下层桥面内力沿纵向变化如图6所示。

由图6可知，轴力、剪力及弯矩关于跨中对称分 布，轴力和剪力在跨中及桥塔处取得极值。此外，各 内力峰值沿整个桥面均较小。

下层桥面内力沿横向变化如图7所示。

由图7可知，各关键断面内力变化趋势基本一 致:轴力沿整个下层桥面基本保持不变；剪力呈现出 典型的U形分布，在中纵梁处取得最大值；弯矩受 纵梁及两端下弦杆影响较大，在两个侧边取得最 大值。

根据以上结果可得出：沿桥梁纵向，轴力在跨中 及桥塔处取得极值，约为平均值的3倍;剪力和弯矩 的波动较大。沿下层桥面横向，轴力分布非常均匀，基本保持不变;剪力在中纵梁处取得极值，弯矩在桥 面侧边取得最大值，约为桥面内部区域的5倍。

通过前述研究发现，锚箱位置及纵梁的分布对 桥面横向内力的影响较大。设计时可对桥塔处交接 段及跨中段进行局部加强，

如增大节点板厚度等&十