单索面公轨双层斜拉桥传力机理及稳定性分析_徐龙_陈晓英

此，采用弹性本构模 型 模 拟 钢 材，具 体 参 数 根 据 《铁 路桥 梁 钢 结 构 设 计 规 范 》（ＴＢ １０００２．２－２００５）及 《钢 结 构 设 计 规 范 》（ＧＢ ５００１７—２００３）进 行 取 值 。 ２．３ 约 束 及 主 要 荷 载
根据 实 际 工 程 设 计 情 况，在 计 算 模 型 中 约 束 两 个索塔底端所有 平 动 和 转 动 自 由 度。 此 外，在 本 模 型 中 为 节 约 计 算 工 作 量 ，忽 略 桥 梁 两 端 的 桥 墩 模 型 ， 直接约束桥梁两端竖直方向位移。
此外，完成恒 载 分 析 步 后，在 跨 中 上、下 桥 面 左 侧分别布置汽车荷 载 （公 路—Ⅰ 级）和 轨 道 荷 载 （车 型：国 家 标 准 Ｂ１ 型 车），以 模 拟 分 析 桥 梁 结 构 在 相 对不利荷载状态下的变形稳定性及跨中最不利钢桁 架的传力机制。
３ 结 果 分 析 ３．１ 恒 载 下 桥 梁 体 系 变 形 及 传 力 机 理
该 斜 拉 桥 主 梁 上 下 层 桥 面 系 、主 梁 腹 杆 及 弦 杆 、 轨道纵梁采用 Ｑ３４５ｑＤ 钢材；钢桁梁上弦、下弦节点 板及主桁锚箱 等 采 用 Ｑ３７０ｑＥ 钢 材，钢 材 主 要 参 数 见表１。由于本计算模型仅模拟桥 梁 结 构 在 荷 载 作 用 下 的 受 力 及 变 形 性 能 ，结 构 基 本 处 于 弹 性 阶 段 ；因
因 此 ，针 对 已 有 研 究 所 存 在 的 局 限 性 ，本 文 以 东 水门长江大桥为背 景 建 立 三 维 有 限 元 模 型，充 分 考 虑 纵 横 梁 、腹 杆 及 加 劲 肋 等 构 件 的 实 际 受 力 状 况 ，重 点针对桥面结构的 变 形、应 力 分 布 及 传 力 机 理 等 展 开 分 析 ；此 外 ，探 讨 了 活 载 偏 载 作 用 下 结 构 的 变 形 模 型及应力变化特征。研究成果可为单索面斜拉桥的 设计和优化提供新思路和指导。
１ 工 程 背 景 东水 门 长 江 大 桥 坐 落 于 重 庆 市 渝 中 区 半 岛，主
要用于接通解放碑商业中心和弹子石等区域。综合 考 虑 通 航 要 求 、河 床 及 两 侧 河 岸 地 质 条 件 、桥 头 连 接 等 因 素 ，该 大 桥 设 计 为 双 塔 单 索 面 斜 拉 桥 ，主 桥 跨 径 布置为 ２２２．５ ｍ＋４５０ ｍ＋１９０．５ ｍ，主 桥 全 长 为 ８５８ｍ，跨径布置及 桥 塔 横 截 面 如 图 １ 所 示。 此 外， 钢桁梁桁高 为 １２ ｍ，３ 跨 连 续 体 系，桥 面 板 采 用 正 交异性 板 体 系。 其中，上层、下层桥面的标准总宽分
力学响应。 然而，多 数 研 究 成 果 均 集 中 在 传 统 双 索 面 斜 拉
桥，针对单索面斜拉 桥 的 变 形 模 型 及 受 力 特 性 的 研 究鲜有报道。此外，在 进 行 模 拟 计 算 时 通 常 对 桥 梁 结构进行了较大的 简 化，如 将 桥 面 简 化 为 均 匀 板 壳 单元、上下弦杆、腹 杆 及 纵 梁 等 简 化 为 杆 单 元；因 此 无法反映结构局部的应力及内力状态。
σｓ／ＭＰａ
３４５ ３２５ ３１５ ３０５ ３７０ ３５５ ３３０ ３３０
表 １ 钢 材 力 学 性 能
σｂ／ＭＰａ
冲击功 试 验 温 度／℃
５１０ ４９０ ４７０ ４７０ ５３０ ５１０ ４９０ ４９０
－２０ －４０
ＡＫＶ／Ｊ ３４
４１
１８０°弯 曲 试 验 ａ≤１６ｍｍ ａ＞１６ｍｍ
收 稿 日 期 ：２０１６－０８－３０
— ８２ — 公 路 ２０１７年 第５期
别为２４ｍ 和１５ｍ（桁梁下弦中心距离）。拉索梁上锚 塔上间距为３．８ｍ。桥塔牛腿处设置支座。 点作用于 桥 面 中 央 钢 锚 箱 上，拉 索 梁 上 间 距 为 １６ ｍ，
关键词：斜拉桥；单索面；公轨双层；数值模型；稳定性；传力机理；扭转变形；分析
桥梁是城市公路及轨道交通的重要组成部分。 近年来，城市轨道交 通 的 迅 速 发 展 也 进 一 步 促 进 了 公 轨 两 用 桥 的 发 展 ，尤 其 是 上 层 为 公 路 交 通 ，下 层 为 轨道交通的双层 斜 拉 桥。 此 外，为 满 足 公 路 － 轨 道 一体化交通系统及大跨度桥梁的挠度及受力变形要 求，钢桁梁在大跨度 斜 拉 桥 和 悬 索 桥 中 得 到 了 广 泛 应用。在钢桁梁斜 拉 桥 中，桥 面 荷 载 经 桥 面 板 传 递 至 主 桁 ，并 通 过 拉 索 传 递 荷 载 到 桥 塔 上 ，最 终 将 荷 载 传递到基础上 。 ［１］ 针对斜拉桥的受力变形特征 及 设 计关键技术，高波等 以 ［２］ 东宝河特大桥为研究 对 象， 对曲线部分斜拉桥 弹 性 失 稳 及 考 虑 几 何、材 料 非 线 性失稳特性进行了研究。侯满等 针 ［３］ 对混凝土 斜 拉 桥的施工荷载及组合进行了探讨。冯冠杰等 采 ［４］ 用 ＭＩＤＡＳ 建 立 有 限 元 模 型，对 波 形 钢 腹 板 矮 塔 斜 拉 桥的施工全过程进 行 模 拟，重 点 分 析 力 学 性 能 的 变 化特征。杨辉 针 ［５］ 对大跨斜拉桥钢锚梁施工的 关 键 技术展开了详细的讨论。朱军涛 对 ［６］ ４线铁路 曲 线 斜拉桥钢箱梁的受力及疲劳性能展开了分析。叶锡 钧 建 ［７］ 立 ＡＮＳＹＳ 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 局部细化计算。段政等 通 ［８］ 过建立三维有限元 模 型 针对纵向弧形独塔单索面斜拉桥索梁钢锚箱的局部 应力进行了分析。陈国兴 以 ［９］ 西南地区某大桥 结 构 荷载效应分析为例研究了双塔双索面斜拉桥结构的
图 ３ 桥 面 系 统 细 部 构 造 模 型
图 ２ 全 桥 有 限 元 模 型
此外，为 了 更 加 准 确 地 反 映 出 整 桥 的 实 际 受 力 状态，各桥梁结构及 细 部 构 件 特 性 按 照 结 构 实 际 尺 寸进行模拟。该模型充分考虑了上下桥面体系的复 杂 性 及 腹 杆 、上 下 弦 杆 之 间 的 相 互 关 系 ，采 用 三 维 壳 单 元 模 拟 桥 面 板 、加 劲 肋 、纵 梁 、横 梁 、箱 形 腹 杆 及 上 下弦杆等；此 外，采 用 实 体 单 元 模 拟 钢 筋 混 凝 土 主 塔，单向受拉桁 杆 单 元 模 拟 斜 拉 桥 拉 索。 钢 桁 架 桥 面系统局部模型如图３所示。 ２．２ 材 料 特 性
应力 是 控 制 结 构 变 形 及 破 坏 的 重 要 指 标，而 应 力计算结果表明，不 同 构 件 拉 压 应 力 分 布 及 其 峰 值 差异较大。因此，选 取 桥 梁 结 构 典 型 区 段 为 分 析 对 象，并对上桥面、传 力 腹 杆 桁 架 及 下 桥 面 的 最 大、最 小主应力进行分 析。 位 移 分 析 结 果 表 明，跨 中 为 较 不利区域，因此根据 对 称 性 选 取 图 ４ 中 虚 线 框 桁 架 梁为分析对象。如图５、图６ 所 示，上 桥 面 最 大 及 最 小主应力均发生在 中 纵 梁 附 近 （即 拉 索 下 端 锚 固 区 域）。由于桥面系统 的 自 重 及 荷 载 均 通 过 拉 索 传 递 至 桥 塔 ，因 此 在 锚 箱 附 近 容 易 出 现 应 力 集 中 ，导 致 局 部区域应力迅速增 大，如 最 大 和 最 小 主 应 力 峰 值 分 别为 １５８．５ ＭＰａ和 １６４．２ ＭＰａ。 局 部 应 力 分 布 图 显 示 ，拉 索 力 沿 桥 面 横 向 呈 对 称 分 布 ，均 匀 扩 展 至 桥 面 侧 边 ；而 锚 箱 处 局 部 受 拉 作 用 明 显 ，但 峰 值 应 力 未 超 过 钢 材 的 屈 服 应 力 ，仍 处 于 弹 性 状 态 。
在 进 行 加 载 时 ，主 要 考 虑 以 下 恒 载 作 用 。 ２．３．１ 结 构 自 重
混凝 土 和 钢 材 的 重 度 分 别 按 照 ２５ｋＮ／ｍ３ 和 ７８．５ｋＮ／ｍ３进行计算；主桁杆件及节点、桥面系、平面连 接系、横向连接等均按照杆件实际厚度及重量计入。 ２．３．２ 二 期 恒 载
２０１７ 年百度文库 第 ５ 期
徐 龙 陈 晓 英 ：单 索 面 公 轨 双 层 斜 拉 桥 传 力 机 理 及 稳 定 性 分 析
— ８３ —
型号 Ｑ３４５ｑＤ Ｑ３７０ｑＥ
板 厚ｔ／ｍｍ
≤１６ ＞１６～３５ ＞３５～５０ ＞５０～１００
≤１６ ＞１６～３５ ＞３５～５０ ＞５０～１００
ｄ＝２ａ
ｄ＝３ａ
ｄ＝２ａ
ｄ＝３ａ
下层轨道桥面 系 为 整 体 式 道 床，综 合 考 虑 主 桥 二期恒载为６６．９ｋＮ／ｍ。 主 要 包 括 以 下 荷 载 类 型： （１）轨 道 结 构 （钢 轨、扣 件、轨 枕、道 床 ），双 线 ４８．０ｋＮ／ｍ；（２）附 属 设 施 （弱 电 电 缆 支 架 、通 信 光 电 缆、ＰＩＳ天线、轨 旁 电 话 等），双 线 ７．０ｋＮ／ｍ；（３）护 栏及检修道，双 线 ５．４ｋＮ／ｍ；（４）电 缆 支 架 及 电 缆 荷载，双 线 ４．０ ｋＮ／ｍ；（５）桥 面 铺 装 （防 水 层，按 １ｃｍ 考虑）２．５ｋＮ／ｍ。
单 位 ：ｃｍ 图 １ 东 水 门 长 江 大 桥
２ 数 值 模 拟 ２．１ 有 限 元 模 型
本文 通 用 建 立 三 维 有 限 元 模 型，模 拟 整 个 斜 拉 桥结构在重力及恒 载 作 用 下 的 承 载 行 为，并 重 点 分 析该类单索面中锚式双层斜拉桥桥面的整体稳定性 及 受 力 特 性 ；全 桥 模 型 如 图 ２ 所 示 。
上层 为 公 路 桥 面 系，综 合 主 桥 二 期 恒 载 为 ４２．８ｋＮ／ｍ。 主 要 包 括 以 下 荷 载 类 型 ：（１）沥 青 混 凝 土桥面铺 装 厚 ７．５ｃｍ，重 度 为 ２３ｋＮ／ｍ３，铺 装 重 ２７．６ｋＮ／ｍ，人 行 道 板 两 侧 恒 重８．６ｋＮ／ｍ；（２）人 行 道栏杆、防撞 护 栏 两 侧 恒 重 ３．６ｋＮ／ｍ；（３）钢 中 央 分隔 带 两 侧 重 ２．０ ｋＮ／ｍ；（４）检 修 轨 道 两 侧 重 １．０ｋＮ／ｍ。
公 路 ２０１７ 年 ５ 月 第 ５ 期
ＨＩＧＨＷＡＹ Ｍａｙ ２０１７ Ｎｏ．５
文 章 编 号 ：０４５１－０７１２（２０１７）０５－００８１－０５ 中 图 分 类 号 ：Ｕ４４１．５ 文 献 标 识 码 ：Ａ
单索面公轨双层斜拉桥传力机理及稳定性分析
徐 龙，陈晓英
桥梁结构在重力及荷载作用下的变形及挠曲程 度是评价桥梁结构整体稳定性的重要指标之一。由 于 在 静 力 荷 载 下 ，桥 梁 结 构 主 要 产 生 竖 直 方 向 变 形 ， 水平方向变形较小；因 此 主 要 分 析 该 桥 梁 体 系 在 竖 直方向的变 形。图 ４ 所 示 为 斜 拉 桥 的 竖 向 位 移 云 图 ，可 以 看 出 桥 梁 结 构 的 最 大 位 移 主 要 发 生 在 跨 中 ， 约为２５．６ｃｍ。计算结果表明，结构变形 较 小，最 大 竖向挠跨比 为 ０．６‰，满 足 规 范 要 求。 由 于 桥 梁 结 构 整 体 变 形 均 较 小 ，为 节 约 篇 幅 ，不 详 细 针 对 各 构 件 局部变形展开分析。
（中 交 第 二 公 路 勘 察 设 计 研 究 院 有 限 公 司 武 汉 市 ４３００５６）
摘 要：与传统斜拉桥的双索面传力方式不同，单索面中锚式斜拉 桥 仅 通 过 中 央 拉 索 将 桥 梁 自 重 及 桥 面 上 荷 载 传递到桥塔。为研究该单索面斜拉桥的稳定性 及 受 力 特 性，以 东 水 门 双 塔 三 跨 式 斜 拉 桥 为 研 究 背 景 ，建 立 了 全 桥 三 维有限元数值模型。该模型充分了考虑上下层桥面板之 间、桁 梁 节 段 之 间 的 相 互 作 用 关 系 以 及 纵 梁、横 梁 及 加 劲 肋 对 上 下 桥 面 板 的 加 固 效 应 。 计 算 结 果 针 对 桥 面 系 统 的 整 体 变 形 、应 力 分 布 及 应 力 传 递 机 理 等 展 开 分 析 ，并 重 点 分 析 了 偏 载 作 用 下 结 构 的 变 形 模 式 及 应 力 变 化 特 征 。 研 究 结 果 表 明 ，索 塔 及 拉 索 的 位 置 分 布 对 桥 梁 结 构 整 体 变 形 及 应 力 分 布 影 响 较 大 ，上 桥 面 拉 索 力 向 桥 面 两 侧 均 匀 传 递 ；此 外 ，跨 中 结 构 在 偏 载 活 载 作 用 下 主 要 发 生 横 向 偏 转 及 扭 转 变 形 。