“X”型大跨度双弧线桥梁有限元模拟分析

“X”型大跨度双弧线桥梁有限元模拟分析

吴有明钱林栋

中都工程设计有限公司广东广州510030

摘要：本项目地理位置独特为满足功能及景观要求采用“X”型大跨度双弧线桥梁，利用空间有限元法建立模型模拟桥梁各阶段受力状况，并对桥梁运营及施工阶段各构造的安全进行研究，以获得梁体实际受力状况进行针对性的结构安全验算，可为类似项目提供参考。

关键词：计算分析；桥梁结构；有限元

1工程概况

本项目位于韶关解放路为人行景观天桥，为满足功能及景观需求，现场受到限制较多，因此，采用“X”大跨度双弧线的形式，形成四个方向、八个流向的交通组织，而舒展流畅的壳体动线与挺拔的拉索柱构成一座大气、新颖、现代感强的人行天桥，同时达到快速、便捷、美观。本桥梁工程总体设计在满足交通功能的基础上，采用钢箱梁斜拉桥

方式，其大跨度、薄箱体、少支撑、大弧线的造型方式，开阔、延展、富有张力和通透感。在满足功能的同时，具有良好的区域功能标识性。最大跨度64.54m。桥面宽度呈变宽布置，跨中宽度11.1m，1号墩、2号墩及4号墩端部宽度5.3m，3号

墩端部宽度3.2m，钢箱梁截面高1.2m。

图1桥梁布置示意图

2总体设计

（1）桥梁主梁采用钢箱梁形式，跨中箱梁截面采用单箱单室，端部箱梁截面采用单箱双室，钢箱截面高度1.45m，铺装0.5m，箱室宽度2.4m，两边挑臂各1.05m。跨中钢箱梁上翼缘厚20mm，下翼缘厚36mm，腹板厚12mm。

（2）本桥梁工程主梁、主塔、人行梯道等构件采用Q345C焊接钢板，钢板厚度小于16mm，钢材抗拉、抗压和抗弯强度设计值为275MPa，抗剪强度设计值为160MPa，端面承压强度设计值为355MPa；钢板厚度在16mm~40mm之间时，钢材抗拉、抗压和抗弯强度设计值为270MPa，抗剪强度设计值为155MPa，端面承压强度设计值为355MPa。

3计算模型

（1）建立模型

本桥梁计算建模采用三维模型，如图2所示，主梁作为主要受力构件，主塔及索为辅助受力构件，主梁结构与墩采用三向铰接，墩底固接，塔底固结，跨中两片主梁间采用弹性连接的刚接形式。

图2桥梁模型

（2）荷载取值

1）恒荷载：桥梁主梁、横梁等构件自重，在自重荷载工况计算时由程序根据截面尺寸及材料换算；桥梁二期恒载包括铺装、栏杆等构件自重。

2）温度作用根据《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2015）4.3.12条及《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）附录E.4基本气温规定，设计合拢温度为10~150C，系统升温作用取为+360C，系统降温作用取为-240C。

（3）荷载组合

承载能力极限状态：1.2×自重+1.2×二期恒载+1.4×人群荷载+1.4×0.75×温度作用+1.4×0.75×风荷载；正常使用极限状态：1.0×自重+1.0×二期恒载+1.0×人群荷载+0.8×温度作用+0.75×风荷载。

4计算结果

（1）强度验算在荷载效应基本组合下，主梁承载力极限状态最大应力，主梁最大拉应力为242.8MPa，最大压应力为215.8MPa，小于规范规定的钢材抗拉、抗压和抗弯强度设计值270MPa，主梁强度验算满足规范要求。

图3承载力极限状态应力云图（N.mm）

短暂状况下，预应力混凝土构件正截面受压区混凝土边缘的压应力应满足下式规定24.85MPa。从上图可以看出，在施工阶段主梁正截面边缘混凝土出现的最大压应力为-21.6MPa，未超出规范容许值-24.85MPa，满足规范要求。

图4正常使用极限状态最大竖向位移（mm）

（2）局部稳定验算，采用刚性加劲肋原理对加劲肋等局部构件进行设计γ=68.6>γ1=67.5；整体稳定验算，截面尺寸满足下式时可不计算梁的整体稳定性《公路钢结构桥梁设计规范》5.3.2条规定，无需验算。

（3）位移验算，在荷载效应频遇组合下，主梁在正常使用状态跨中最大竖向挠度值为242mm，最小挠度值为170mm，设计预拱度为206mm，验算式如下所示，扣除预拱度后主梁在人群荷载频遇值引起的最大竖向挠度值为跨径的1/1475<1/500，主梁竖向挠度验算满足规范要求。

经计算，本桥梁主梁在承载能力极限状态下：强度满足规范要求，局部稳定满足规范要求，整体稳定满足规范要求。本桥梁主梁在正常使用极限状态下：扣除预拱度后加劲梁在人群荷载频遇值引起的最大竖向挠度值为跨径的1/1475，主梁挠度满足规范要求。

5结语

通过有限元建立空间梁格模型，在宽箱梁模拟计算时与实际箱梁受力情况及构件验算较为吻合，与单梁模型模拟计算相比能考虑箱梁横向受力，能进行横向验算等特点，尤其是在偏载验算时具有精度高、在偏载作用下能查看单独构件受力情况等优点，可为类似工程提供设计参考。

参考文献：

[1]CJJ69-95城市人行天桥与人行地道技术规范［S].北京：人民交通出版社，1995．

[2]JTGD60-2004公路桥涵设计通用规范［S］．北京：人民交通出版社，2004．

[3]JTGD3362-2018公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］．北京：人民交通出版社，2018．